автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного почвообрабатывающего орудия

На правах рукопу($1

004ЬУ

ЯМАЛЕТДИНОВ Марсель Мусавирович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 3

Шй 2910

Уфа-2010

004601850

Работа выполнена аграрный университет»

в ФГОУ ВПО «Башкирский государственный

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Мударисов Салават Гумерович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рахимов Раис Саитгалеевич; кандидат технических наук Разбежкин Николай Иванович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Казанский государственный

аграрный университет»

Защита состоится 20 мая 2010 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 259/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «$>> 2010 г. и размещен на сайте ФГОУ

ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» www.bsau.ru «/£» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Актуальность темы. В настоящее время уделяется особое внимание повышению эффективности и рентабельности сельскохозяйственного производства, а это в свою очередь требует повышения урожайности культур, внедрения новых научно обоснованных технологий их возделывания, высокопроизводительной, универсальной техники, дающих возможность сбережения энергетических и биологических ресурсов.

Одной из наиболее ответственных технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур, влияющих на их продуктивность, является предпосевная обработка почвы. Установлено, что наиболее благоприятные условия для роста и развития зерновых культур достигается при гетерогенном сложении обрабатываемого слоя почвы.

К настоящему времени для предпосевной обработки почвы разработаны и широко используются комбинированные орудия, выполняющие за один проход несколько различных технологических операций, что ускоряет производственный процесс, исключает многократные проходы агрегата по полю, снижает расход горючего и время на холостые переезды. Однако, существующие комбинированные орудия не всегда обеспечивают требуемое качество предпосевной обработки почвы в зависимости от ее состояния и гетерогенное сложение обрабатываемого слоя почвы. Для обеспечения требуемых показателей качества обработки почвы технологические параметры орудия должны быть регулируемыми, а гетерогенное сложение почвы можно добиться разноглубинной обработкой комбинированными рабочими органами.

Разработка комбинированного почвообрабатывающего орудия с изменяемыми параметрами требует в свою очередь досконального изучения процесса взаимодействия рабочих органов с почвой и исследования влияния схемы расстановки рабочих органов и их конструктивно-технологических параметров на качество обработки. Для этого необходимо разработать модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, обеспечивающую возможность обоснования конструктивно-технологических параметров орудия в целом.

В связи с этим, обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного почвообрабатывающего орудия на основе моделирования технологического процесса обработки почвы является актуальной задачей, имеющей большое значение для экономики страны.

Цель работы. Повышение качества предпосевной обработки почвы путем рационального комбинирования рабочих органов и обоснования их параметров на основе моделирования технологического процесса работы.

Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего орудия с почвой.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего орудия с почвой, изменения агротехнических и энергетических показателей работы в зависимости от его конструктивных и технологических параметров.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и методов механики сплошных сред и классической

механики. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик проведения экспериментов с применением метода планирования. Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Установлены начальные и граничные условия функционирования модели технологического процесса взаимодействия лаповых и дисковых рабочих органов с почвой с учетом ее физико-механических свойств и процесса уплотнения дна борозды.

2. Обоснована конструктивно-технологическая схема комбинированного почвообрабатывающего орудия (патент на изобретение №2230445 РФ).

3. Разработаны расчетные схемы и получены аналитические выражения для определения основных конструктивно-технологических параметров орудия с комбинированными рабочими органами для поверхностной обработки почвы.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. По результатам исследований обоснованы параметры и создан экспериментальный образец комбинированного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы, обеспечивающий качественное выполнение технологического процесса за один проход агрегата.

Орудие с обоснованными конструктивно-технологическими параметрами внедрено в ФГУП «Учебно-опытное хозяйство «Мидовское» Республики Башкортостан и учебно-научном центре ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ». Разработанная конструкция комбинированного почвообрабатывающего орудия рассмотрена на Научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан и рекомендована к выпуску. Разработанная модель технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвенной средой используется в учебном процессе кафедры «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ».

Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой о фундаментальных и приоритетных прикладных исследованиях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 г.г. «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства» на кафедре «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет.

Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному комплексу» (Челябинская ГАА, г. Челябинск) в 2002...2009 гг., на всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном комплексе» (Баш-

кирский ГАУ, г. Уфа) в 2002...2009 гг.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 научных статей, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение. Общий объем опубликованных работ составляет 2,3 п.л., из них авторских - 1,2 п.л.

Структура и объем работы. Основной материал диссертационной работы представлен на 150 страницах машинописного текста и содержит введение, пять глав, выводы и приложения. Диссертация содержит 15 таблиц, 45 рисунков и иллюстраций, приложений на 31 с. Список использованной литературы включает 115 источников, 2 из которых на иностранном языке.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование процесса взаимодействия лаповых и дисковых рабочих органов с почвой;

- аналитическое решение задачи расстановки рабочих органов на раме почвообрабатывающей машины;

- экспериментальная оценка процесса работы комбинированного почвообрабатывающего орудия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ технологических операций поверхностной обработки почвы, основных факторов и параметров, определяющих энергетические и качественные показатели работы почвообрабатывающих машин, конструктивных схем орудий и рабочих органов, моделей технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвенной средой.

Исследованиями по обоснованию схемы расстановки рабочих органов почвообрабатывающих машин занимались А.И. Любимова, Н.К. Мазитов, P.C. Рахимов, А.П. Грибановский, В.Г. Янкелевич, И.М. Панов, Ю.В. Полищук, П.Н. Бурченко и др.

В исследованиях В.П. Горячкина, И.И. Артоболевского, П.М. Василенко, А.Б. Лурье, В.И. Виноградова, М.Д. Подскребко, В.В. Бледных, Г.Н. Синеоко-ва, Л.В. Гячева, С.Н. Капова, А.П. Иофинова и многих других ученых доказана возможность теоретического изучения рабочих процессов почвообрабатывающих орудий.

Методы моделирования для обоснования конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин предложены A.C. Куш-наревым С.Н. Каповым, И.С. Имамовым, С.Г. Мударисовым и др.

Проведенный анализ научных исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих машин показал, что необходима разработка обобщенной математической модели технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвенной средой с учетом ее фи-

зико-механических свойств и поведения в процессе деформации, а именно с учетом силы реакции неразрушенного пласта почвы.

На основании проведенного анализа состояния вопроса и для достижения поставленной цели в данной работе необходимо решить следующие задачи исследований:

1. Установить начальные и граничные условия функционирования модели технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвенной средой.

2. Обосновать на основе разработанной модели конструктивную схему и технологические параметры комбинированного почвообрабатывающего орудия.

3. Разработать экспериментальный образец комбинированного почвообрабатывающего орудия и провести его лабораторно-полевые исследования.

4. Дать технико-экономическую оценку эффективности применения разработанного комбинированного почвообрабатывающего орудия.

Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивной схемы и параметров рабочих органов орудия» рассмотрен физический процесс деформации и разрушения почвенной среды, показана последовательность построения и реализации математической модели процесса взаимодействия рабочего органа с почвой, как системы уравнений динамики сплошных сред, установлены зависимости для определения основных конструктивно-технологических параметров орудия.

При моделировании технологического процесса обработки почвы на основе уравнений динамики сплошных деформируемых сред необходимо определить в первую очередь расчетную область.

Расчетной областью является объем пространства, где заданы уравнения математической модели и определены начальные и граничные условия ее функционирования.

Система уравнений динамики сплошной деформируемой многофазной почвенной среды в обобщенном виде записывается следующим образом:

{до, ди, дщ ди. „ 1 (др\ „ , . _г —- +—'-ож+—-ог +—-гл --— +(1 + 5аг)/Ни,

81 дх ду дг рКди , (¡=х,у,г) (1)

где «-коэффициент содержания твердых частиц в объеме почвы.

Граничное условие при движении рабочего органа в почвенной среде должно заключаться в том, что в любой точке на границе рабочей поверхности, перпендикулярная к ней составляющая скорости V, элементов среды должна быть равной нулю У,=О (рисунок 1). На границах «вход» и «выход» должны отсутствовать какие-либо возмущения от рабочего органа, поэтому принимаются условия нулевого динамического давления: Рс^=0, Рдвш=0. Граничное условие раздела почвенной среды и воздуха определяется равенством нулю давления на поверхности почвы {Ргр=0).

Граничное условие дна борозды может быть установлена с учетом давле-

ния подпора со стороны нижних слоев почвы, возникающего как сопротивление объемному сжатию почвы рабочим органом. Для этого необходимо определить вертикальную силу 5 на дне борозды, возникающую в процессе деформа-

Рисунок 1 - Взаимодействие почвенного пласта с рабочим органом

В процессе движения на почвенную глыбу действуют сила тяжести G; ко-гезионная сила С; сила К, обусловленная ускорением почвы (динамическое давление, обусловленное силой инерции глыбы); нормальная сила R„ давления ножа на почву; сила реакции неразрушенной почвы D; сила трения почвы по рабочей поверхности Fmp.

В процессе деформации структурной старопахотной почвы рабочим органом ее скалывание происходит под некоторым углом 0=45°+O,5ç> (где <р -угол внутреннего трения, град). Тогда угол сдвига f относительно направления движения равен y/=45°-0,5ç> (рисунок 1).

Вертикальную составляющую S силы реакции неразрушенной почвы D (рисунок 1 ) можно определить как

S = Dcos((¡/ + <?) = Dcos(45° -0,5<з + <?) = Dcos(45° + 0,5ф). (2)

Силу D можно определить из уравнений равновесий сил в горизонтальном и вертикальном направлениях £Лг = 0и ]>Vz = 0. Rn (sin а + tgS cos a)-D sin(45° + 0,5 q>) = К cos(45° - 0,5 <p) + С cos(45° - 0,5 <p) fl„(cos« + igJsina) + £>cos(45° + 0,5 tp) = .Ksin(450 - 0,5<p) + Csin(45° - 0,5 <p) + G, ^ где a - угол установки рабочего органа относительно дна борозды, град;

S - угол трения почвы по поверхности рабочего органа, град.

Решив систему уравнений (3) получим выражение для определения D D_ (К sin(45° - 0,5ff) + С sin(45° - 0,5<р) + G)(sin a + tgô cos a) (sin a + tgô cos a) cos(45° + 0,5ç) + (cos a + tgS ■ sin a) sin(45° + 0,5çs>)

__(K cos(45° - 0,5<p) + С cos(45° - 0,5^))(cos a + tgô sin a) ^

(sin a + tgô cosa) cos(45° + 0,5ç>) + (cos a + tgô ■ sin a) sin(45° + 0,5<p)

Тогда вертикальная сила реакции S согласно формуле (2)

r (Á"sin(45° - 0,5<р) + Csin(45° - 0,5р) + G)(sma + tgScosa) (sin a + ígneos a) cos(45° + 0,5c/)) + (cosa + tgS ■ sina)siti(45° + 0,5<p) (K cos(45° - 0,5g>) + С cos(45° - 0,5i?))(cos a + tgSs'ma) 1* Cos(450 + 0 5<z>) (5) (sin a + ígS cos a) cos(45° + 0,5p) + (cos a + tgS • sin ar)sin(45° + 0,5<p)

Выражение (5) определяет в расчетной области геометрическую поверхность дна борозды. Значение, полученное по выражению (5) необходимо установить в виде граничного условия «Значение давления на стенке» при численном решении системы уравнений (1). Вертикальная составляющая силы реакции неразрушенного пласта для типичных среднесуглинистых черноземов с абсолютной влажностью в пределах 15...29% согласно выражению (5) находится в пределах S=-15...22 Н. В этом случае давление подпора Р неразрушенного пласта почвы перед рабочим органом в зоне деформации в зависимости от ее состояния доходит до 4000 Па.

Интегрирование системы уравнений (1) с учетом установленных начальных и граничных условий позволяет определить траектории движения и скорости частиц, давления на почвенные элементы и установить на их основе закономерности взаимодействия рабочего органа с почвой. На основе полученных данных можно обосновать конструктивные и технологические параметры почвообрабатывающего орудия.

Обоснование конструкции машин для предпосевной обработки почвы требует учета технологических основ выполнения этих операций в системе почвоводоохранного земледелия. Предпосевная обработка почвы для создания гетерогенного сложения обрабатываемого слоя должна готовить разрыхленный слой для корневой системы (зона А, рисунок 2), рыхлый мелкокомковатый верхний слой для стартового роста семян (зона Б), мульчированный поверхностный слой (зона В) для сохранения почвенной влаги и обеспечения благоприятного тепло-водо-воздушного режима. Для создания таких режимов необходимо обеспечить послойную обработку почвы и измельчение растительных остатков.

В результате анализа сочетания различных рабочих органов нами для послойной предпосевной обработки почвы по пахотным и стерневым фонам предлагается следующая конструктивная схема орудия, состоящая из лаповых рабочих органов, дисков, установленных за лапами, с возможностью изменения угла атаки и опорно-прикатывающего катка (рисунок 2). 1 2 3

1 - лаповые рабочие органы; ____2 - дисковые рабочие органы;

~777 /// /// /// 3-каток

Рисунок 2 - Технологическая схема орудия

Основными критериями при выборе схемы расстановки рабочих органов на раме орудия являются минимизация металлоемкости и обеспечение свободного прохода образовавшихся в процессе рыхления комков почвы и раститель-

ных остатков.

На основе сравнительной оценки по этим двум критериям нами выбрано трехрядное расположение лаповых рабочих органов на раме орудия. При этой схеме обеспечивается свободный проход почвенного пласта и растительных остатков между стойками лап.

Расстояние между рядами при данных почвенных условиях должно быть минимальной для снижения металлоемкости и транспортных габаритов орудия. Для обеспечения этого условия рассмотрим перемещение почвы лаповыми рабочими органами (рисунок 3).

Рисунок 3 - Расчётная схема для определения минимального расстояния между лапами по ходу движения

В процессе работы почвенный пласт, подрезанный лемехом, совершив движение по параболе, опустится на дно борозды в точке А. При этом почвенный пласт должен опустится на дно борозды до воздействия на него лапы следующего ряда. Расстояние 1т,„ между рядами рабочих органов согласно расчетной схеме (рисунок 3) определится из выражения

'-„„„ = 1,5 • а ■ - 0,5<р) + • сся а +

К, ■5Ш(« + 45°-0,5«?) 5т(45°-0,5(3)

•вт 2а-ся&а

(6)

где /, —длина лемеха, м; Уа - относительная скорость движения пласта почвы (определяется из разработанной модели), м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; а - глубина хода лапового рабочего органа, м.

Свободный проход почвенного пласта под рамой орудия с учетом глубины обработки и высоты растительных остатков подъема пласта при взаимодействии с лемехом и подъема за счет динамического напора пласта, обеспечивается при минимальной высоте стойки лапы Нсгш

>.-5т(ог + 45°-О,50>)У

8т(45°-0,5р) )

•<£<*(! +сое 2а)-сое а

- + А..

(7)

где Ип - высота пожнивных остатков, м.

Минимальное расстояние Sn между стойками одного ряда также определяется из условия прохождения пожнивных остатков и исключения забивания

S„>2b + hfítax' ctgQj, (8)

где b - ширина захвата лапы, м; hmax - максимальная толщина почвенного пласта, м; 0j - угол скалывания почвы в поперечно-вертикальной плоскости, град.

При определении максимальной толщины почвенного пласта h„ учитывается глубина обработки а и наибольший подъем пласта в процессе деформации, а также конструктивные параметры лапы и скорость движения агрегата. С учетом этого минимальное расстояние Sn между стойками должно составлять

S„ > 2A + (a+/,sina +

Va sin(g + (45° - 0,5<p) sin(45°-0»

<ga(l + cos2a)cosar

-)-c<g©,. (9)

Минимальное расстояние между лапами заднего ряда и осью дисков переднего ряда определяется также из условия свободного прохода почвы без образования почвенного вала перед дисками (рисунок 4).

Согласно расчетной схеме (рисунок 4) минимальное расстояние от заднего крыла лапы до оси вращения диска Ьп

Ьп = 0,5а • sin аг(2АГ -1) + -

V sin(a + (45° - 0,5(р) 2 • (-2—1-^-—)2 ■ sin 2а ■ eos а

sin(45° - 0,5<р) _

g

^ 2h„Rq - А/ , (Ю)

где Ия - глубина хода дисковых рабочих органов, м; - радиус дискового рабочего органа, м; Кр =р/ р2- коэффициент разуплотнения почвы; р/, рг плотность почвы соответственно до и после прохода плоскорежущей лапы, кг/м3.

Рисунок 4 - Расчётная схема для определения минимального расстояния между лаповыми и дисковыми рабочими органами

Конструктивно-технологические параметры дисковых рабочих органов должны определяться из условия, что диски устанавливаются попарно встречно по следу каждой лапы.

Для комбинированного орудия в нашем случае показатель гребни-стости дна борозды не является определяющим при выборе расстояния между дисками, так как основная работа по рыхлению пласта и обеспече-

нию ровности дна борозды выполняется лапами. Поэтому глубину хода дисковых рабочих органов Ич можно принять равной высоте гребней кг, т.е. /гг=А„. Тогда расстояние между дисками одного ряда определяется по выражению:

4, = 4^,(2*,-/»,) • +/яЯ2) (11)

где Л/, Х2- угол атаки дисков соответственно первого и второго ряда (принимается Яг), град.

Расстояние между осями вращения первого и второго ряда дисковых рабочих органов ¿ч определяется из условия свободного прохода почвенных комков по выражению:

¿а=27?цлЫЛ2+5ф (12)

где — минимальное расстояние между лезвиями дисков первого и второго ряда, м.

Минимальное расстояние между лезвиями дисков первого и второго ряда можно принять равным максимальному размеру почвенного комка, образующейся за дисками первого ряда.

К основным технологическим параметрам опорно-прикатывающего катка относятся его диаметр Д„ шаг между прутками /„ их диаметр г/„ и угол наклона е.

Из условия, что каток должен защемлять почвенный комок между своей рабочей поверхностью и поверхностью почвы без образования почвенного вала

перед собой, можно определить наружный диаметр катка Д,

[8+<р\

Ън=<1а&2Хрг\ (13)

где Л - диаметр почвенного комка, м; 8- угол трения почвы по рабочей поверхности катка, град.

Исходя из условия обеспечения требуемой степени крошения и выров-ненности поверхности поля, можно выбирать среднее расстояние между прутками т, форму и размеры прутков. Для обеспечения самоочистки катка и разрушения комков почвы с перемещением их в боковом направлении угол наклона е прутков к оси вращения должен быть больше угла трения почвы по стали: е>8.

Для подтверждения теоретических предпосылок, определения агротехнических и энергетических показателей работы орудия, уточнения его основных параметров были проведены экспериментальные исследования.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» описаны методика оценки условий проведения экспериментальных исследований и этапы проведения лабораторно-полевых исследований; приведены методики энергетической и агротехнической оценок орудия.

Лабораторно-полевые исследования были проведены в соответствии с основными положениями ГОСТ 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний» и ОСТ 70.4.2-80 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей».

Для проведения экспериментальных исследований спроектирована и изготовлена лабораторная установка, позволяющая изменять технологические параметры рабочих органов и замерять их тяговые сопротивления.

Энергооценка агрегата проводилась путем одновременного динамомет-рирования орудия и его отдельных рабочих органов. Одновременно измерялись и синхронно записывались изменения следующих параметров: общее тяговое сопротивление агрегата ЕРХ\ тяговое сопротивление одной лапы первого Pi , второго Р2 и третьего рядов Р3; общее тяговое сопротивление дисков Рд, глубину хода лаповых рабочих органов а\ пройденный путь профиль поверхности поля П.

Программа агротехнической оценки включала в себя изучение влияния скорости движения агрегата и технологических параметров рабочих органов на качество обработки почвы: гребнистость поверхности обработанного поля; глубина обработки, гребнистость дна борозды; крошение обработанного слоя почвы; степень уничтожения сорных растений; степень заделки растительных остатков; вынос влажных слоев почвы на поверхность.

Обработка информации производилась с помощью составленной в редакторе Microsoft Excel программы «Обработка результатов измерений», позволяющей производить статистический анализ экспериментальных данных.

В четвертой главе «Результаты экспериментально-теоретических исследований по обоснованию технологических и конструктивных параметров комбинированного почвообрабатывающего орудия» приводятся результаты расчетов рабочих органов орудия, полученные при численном решении разработанной модели. Произведено обоснование конструктивной схемы орудия и рациональных технологических параметров рабочих органов. Приведены результаты лабораторно-полевых исследований экспериментального орудия и произведен их анализ.

Разработанная модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой на основе решения уравнений динамики сплошных сред позволяет получить объемную картину деформирования почвы в процессе взаимодействия с рабочим органом.

Оценочными показателями технологического процесса обработки почвы для модели нами выбраны дисперсия скоростей Д, почвенных элементов в продольно-вертикальной плоскости по высоте обрабатываемого почвенного пласта в момент его схода с поверхности рабочего органа и дисперсия давлений Dp на поверхности рабочего органа (рисунок 5).

Величина дисперсии скоростей Д почвенных элементов показывает относительные перемещения слоев почвы, что в свою очередь влияет на крошение почвы (рисунок 6).

При меньших значениях дисперсии Dp будет обеспечиваться равномерное распределение давлений по поверхности рабочего органа, соответственно повышается устойчивость его хода и будет происходить равномерный износ рабочей поверхности (рисунок 7).

Из рисунка 6 видно, что при угле крошения о=30° наблюдается резкое повышение Д, что может привести к выносу нижних влажных слоев на по-

верхность. При углах до 28° обеспечивается более равномерное распределение скоростей по слоям.

Более равномерное распределение давления по рабочей поверхности происходит при углах 24 и 26° (рисунок 7).

Д, «Ас5

0,0175 0,015

0,0125 --

0,01

20

24

28

Рисунок 5 - Эпюра скоростей (V) почвенных Рисунок б - Изменение дисперсии скорости элементов в момент схода с рабочего органа Д, от угла крошения лапы а и давлений (Р) на ее поверхности

На рисунке 8 представлены зависимости энергетических показателей, а именно составляющих тягового сопротивления лапового рабочего органа от угла крошения а, полученные на основе разработанной модели.

съ 10* Па3

70'

50

30

150 100 50 0 -50 -100 -150

51 = 0,8003 К2-37,4Х + 541,64

1» К

-

1Л 1 ) 1 1 0 1 7

Г--

22 24

26

28

Рисунок 7 - Изменение дисперсии давления I - общее тяговое сопротивление Я; Пр на рабо чем органе от угла крошения 2 - горизонтальная составляющая Ях; лапы а 3 - вертикальная составляющая Яг.

Рисунок 8 - Зависимость составляющих тягового сопротивления Я от угла крошения а

Наименьшее тяговое сопротивление почвы наблюдается при угле крошения а=24°. Дальнейшее увеличение угла крошения приводит к увеличению тягового сопротивления. Это происходит из-за сгруживания почвы перед лапой, связанной с увеличением высоты подъема почвенного пласта, и увеличения вертикальной составляющей тягового сопротивления, стремящейся заглубить рабочий орган. Следовательно, в целях снижения тягового сопротивления, обеспечения максимального крошения почвы и равномерного износа рабочей поверхности лапового рабочего органа, угол крошения а желательно прини-

мать в пределах а=24...26°. Предпочтительнее лапы с углом крошения о=24°.

Для определения закономерностей изменения расстояния между рядами лап Lmin и высоты стойки НСт от скорости движения агрегата были выполнены расчеты по формулам (6) и (7) для состояния почвы с углами внутреннего трения <р=40°, 30°, 20°, которые соответствуют влажности среднесуглинистого чернозема W=15, 22, 29%. С увеличением скорости движения У„ и влажности почвы ^расстояние между рядами лаповых рабочих органов и высота стойки должны быть увеличены (рисунок 9). На скоростях движения агрегата 2,0...3,5 м/с расчетное расстояние между рядами лап должно быть ¿„,„=0,4...0,8 м, а высота стойки Нст=0,44...0,8 м.

По приведенным уравнениям (8) и (9) были проведены расчеты расстояния между стойками одного ряда лап при скорости У0 движения орудия в пределах 1,5...3,5 м/с. Из полученных результатов следует что, расстояние между стойками лап одного ряда возрастает с увеличением скорости движения и глубины обработки (рисунок 10). На рабочих скоростях движения агрегата 2,0...3,5 м/с расчетное расстояние между стойками лап одного ряда должно быть 0,5...1,05 м. Для лап шириной захвата 330 мм, с учетом перекрытия принимаем S„=0,81 м.

Нет, м:

0,6

0,4

0,2

Ф-2СГ) /ж

Lmm (<f=30°)

S^ — Vw tp —

Su м

1,5 2 2,5 3 VI), м/с Рисунок 9 - Влияние скорости движения агрегата Уо на минимальное расстояние между рядами лап Ьт:„ и минимальную высоту стойки Нет

1,5 2 2,3 3 VI), м/с

Рисунок 10 - Зависимость минимального расстояния между стойками одного ряда 5„ от скорости движения агрегата Уо и угла скалывания почвы в поперечно-вертикальной плоскости 0J

Теоретическими исследованиями установлено, что расстояние между дисками и лапами зависит от скорости движения У0, глубины хода а, геометрических параметров рабочих органов и коэффициента разуплотнения почвы Кр. С учетом гребнистости дна борозды и попарно встречной установки дисковых рабочих органов по следу каждой лапы диски должны иметь диаметр 450 мм.

По приведенному уравнению (10) были определены расстояния между стойками заднего ряда лап и осями вращения переднего ряда дисков (рисунок 11). Минимальное расстояние от заднего обреза крыла лапы до оси вращения дисковых рабочих органов ¿„ возрастает с увеличением скорости движения, глубины обработки и коэффициента разуплотнения, и при скоростях движения У0 =2,0...3,5 м/с и глубине обработки а=12 см должно составлять ¿„ =0,4. ..0,85 м.

По выражениям (11, 12) обоснована расстановка дисков. С увеличением угла атаки дисков и глубины их хода расстояние между ними увеличивается (рисунок 12). Установлено, что при изменении углов атаки с 20° до 30°, расстояние между дисками находится в пределах 0,26...0,37 м, что соответствует условию установки парных дисков по следу каждой стрельчатой лапы шириной захвата 330 мм: и =0,33 м.

Рисунок 11 - Зависимость минимального Рисунок 12 - Влияние угла атаки А и

расстояния от стойки задней лапы до оси глубины хода дисков Ьч на расстояние

вращения дисков от скорости движения между дисками агрегата Уо при различных Л,

На режим и качество работы дисковых рабочих органов кроме глубины обработки и угла атаки в значительной степени оказывает влияние радиус кривизны диска. При этом необходимо минимизировать тяговое сопротивление дисковых рабочих органов. На основе предложенной модели обоснован радиус кривизны дисковых рабочих органов по тяговому сопротивлению (рисунок 13).

Как видно из графика (рисунок 13) наименьшее усилие наблюдается с дисками радиусом кривизны /^=1000 мм.

Обоснования конструктивно-технологических параметров катка произведены по выражениям (13). Расчеты показали, что массы культиватора, опирающегося на прикатывающий каток достаточно для устойчивого выполнения технологического процесса. Из условия защемления почвенного комка катком и исключения образования почвенного вала перед ним принимаем диаметр катка Ц,=0,4 м-Для обеспечения высокой степени крошения и исключения забивания межпруткового пространства (после прохода дисков в слое 0...10 см до 20% почвенных фракций размером 50... 100 мм) необходимо устанавливать 11 прутков диаметром ¿4=40 мм под углом наклона к оси вращения £=25° с расстоянием между прутками 4=115 мм.

Для обоснования конструктивных параметров и режима работы (ширина захвата и рабочая скорость движения) комбинированного почвообрабатывающего орудия проведена энергетическая оценка в полевых условиях и определен тяговый баланс орудия. Исследования проводились в типичных черноземах при влажности почвы 17...30%. По результатам динамометрирования агрегата определена зависимость удельного общего тягового сопротивления комбинированного орудия, приходящегося на 1 м ширины захвата, от глубины обработки

почвы (рисунок 14). На этом же графике представлена теоретическая зависимость удельного тягового сопротивления, полученная из разработанной модели. Графики свидетельствуют об идентичности теоретических и экспериментальных данных.

4 6 8 ю а, СМ

Рисунок 13 - Влияние радиуса кривизны диска Рисунок 14 - Зависимости удельного общего Якр на составляющие тягового сопротивления тягового сопротивления комбинированного Л диска орудия Руц от глубины обработки почвы а

Для трактора класса тяги 3 согласно полученным зависимостям (рисунок 14) ширина захвата орудия должна составлять 4,1 м. При этом для оптимальной загрузки двигателя трактора рекомендуется работать на рабочих скоростях не выше 3,0 м/с. Для данной скорости по графикам, представленных на рисунках 9, 10, 11 можно принять конструктивные параметры орудия 1„н„=0,6 м, Ясг=0,7 м и 1„ =0,6 м.

С целью оценки агротехнических показателей работы разработанного комбинированного почвообрабатывающего орудия (рисунок 15) были проведены полевые эксперименты, где определялись степень крошения почвы, отклонение глубины обработки, выровненность дна борозды и поверхности поля.

Рисунок 15 - Экспериментальное комбинированное почвообрабатывающее орудие

По результатам агротехнической оценки были получены следующие

уравнения регрессии:

1. Степень крошения: У7=82,58+1,5X7+1,075X4-1,225X7X5; (14)

2. Отклонение глубины обработки: У2=0,824+0,158X2; (15)

3. Выравненное™ дна борозды: У3=0,704+0,035X7-0,085X4; (16)

4. Выравненность поверхности поля после обработки:

У4=2,763-0,106X4+0,229X7X3. (17)

где XI - угол атаки дисков; Х2 - глубина хода лап; ХЗ - глубина хода дисков; Х4 - скорость движения агрегата.

По уравнениям регрессии видно, что наибольшее влияние на агротехнические показатели работы комбинированного орудия оказывают угол атаки дисков и скорость движения. В связи с этим в дальнейшем изучались эти технологические параметры.

Из рисунка 16 видно, что увеличение угла атаки дисков до 25% повышает степень крошения почвы Скр во всем диапазоне скорости агрегата. Дальнейшее увеличение угла атаки ведет к снижению качества крошения. В качестве критерия выровненности поверхности почвы нами выбрано среднеквадратическое отклонение профиля поля после прохода агрегата. В диапазоне /.=15...30° вы-ровненость поверхности почвы соответствует агротехническим требованиям.

Рисунок 16 - Зависимость степени кроше- Рисунок 17 - Зависимость выровненности по-ния почвы Кр от угла атаки дисков X верхности почвы А от угла атаки дисков Я

Для обеспечения же требуемой степени крошения почвы (в пределах СЯ7>=80...85%) при рабочей скорости У0=1,5 м/с угол атаки дисков должен быть больше 18°, а при скорости Уа=3,5 м/с меньше 18° (рисунок 16). Эти углы рекомендуются для типичных черноземов при их физической спелости, т.к. эксперименты проводились именно в этих условиях (рисунок 17).

Полученные результаты лабораторно-полевых экспериментов позволяют обосновать технологическую схему орудия, рациональную расстановку рабочих органов и подтверждают выводы теоретических исследований о том, что изменением конструктивно-технологических параметров рабочих органов можно в значительной мере управлять процессами крошения, перемещения и перемешивания при поверхностной обработке почвы.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность внедрения комбинированного почвообрабатывающего орудия в производство» приводятся рекомендации производству по дальнейшему совершенствованию рабочих органов почвообрабатывающих машин в целях повышения их качества работы и оценка экономической эффективности применения предлагаемого комбинированного орудия при предпосевной подготовке почвы для зерновых культур.

Применение комбинированного почвообрабатывающего орудия с обоснованными параметрами позволяет добиться требуемой степени крошения поч-

вы (80...85%), т.е. создать более благоприятные условия для роста и развития культурных растений. Достигаемая степень крошения практически соответствует высшим требованиям агротехники при предпосевной обработке почвы.

При использовании предлагаемого почвообрабатывающего орудия по сравнению с традиционной технологией предпосевной обработки почвы эксплуатационные затраты снизятся на 20...30%, урожайность зерновых культур повысится на 5...7%. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого орудия на предпосевной подготовке почвы под зерновые культуры составляет 304,92 руб./га, а срок окупаемости - 2 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающего орудия с почвой как система уравнений динамики сплошной деформируемой среды с учетом физико-механических свойств и силы реакции неразрушенного пласта почвы. Установлены начальные условия функционирования модели, связанные с физико-механическими свойствами почвенной среды (плотность, вязкость, трение) и граничные условия, связанные с конструктивными параметрами рабочих органов и технологическими параметрами процесса обработки (глубина обработки, скорость движения). Вертикальная составляющая силы реакции неразрушенного пласта для типичных среднесуглинистых черноземов с абсолютной влажностью в пределах 15...29% составляет -15...+22 Н. При этом давление подпора неразрушенного пласта почвы перед рабочим органом в зоне деформации доходит до 4000 Па. На основе разработанной модели установлены закономерности взаимодействия рабочих органов с почвой, движения почвы по рабочей поверхности и силовые характеристики.

2. Разработана технологическая схема комбинированного почвообрабатывающего орудия для послойной предпосевной обработки почвы по стерневым и пахотным фонам, состоящего из трех рядов лаповых рабочих органов, дисковых рабочих органов, установленных за лапами в два ряда попарно встречно по следу каждой лапы с возможностью изменения угла атаки и опор-но-прикатывающего катка (патент №2230445 РФ).

3. Обоснованы по результатам теоретических и экспериментальных исследований конструктивно-технологические параметры рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего орудия:

- для лаповых рабочих органов: ширина захвата - 330 мм, угол крошения - 26°, угол раствора - 65°;

- для дисковых рабочих органов: диаметр - 450 мм, радиус кривизны -1000 мм, диапазон регулирования угла атаки для типичных черноземов при влажности почвы 17...30% от 15° до 30°;

- для опорно-прикатывающего катка: диаметр - 400 мм, количество прутков -11, расстояние между прутками - 115 мм, диаметр прутков - 40 мм, угол наклона прутков относительно оси вращения 25°.

4. Обоснованы по результатам теоретических и экспериментальных исследований конструктивно-технологические параметры комбинированного

почвообрабатывающего орудия:

- расстояние между рядами лаповых рабочих органов - 600 мм;

- расстояние между стойками лап одного ряда - 810 мм;

- высота стойки лапы - 700 мм;

- расстояние между задними лапами и осью вращения дисков переднего ряда - 600 мм;

- расстояние между рядами дисков - 700 мм;

- расстояние от оси вращения дисков заднего ряда до оси катка 700 мм.

5. Установлены на основе экспериментальных исследований агротехнические показатели комбинированного почвообрабатывающего орудия с предложенными конструктивно-технологическими параметрами: степень крошения почвы - 80...85%; выровненность поверхности почвы - 2...4 см; выровненность дна борозды - 0,5... 1,0 см; отклонение глубины обработки от заданной -0,5...1,0 см.

6. Определена экономическая эффективность технологического процесса предпосевной обработки почвы. Применение комбинированного почвообрабатывающего орудия позволяет повысить степень крошения, что обеспечит прибавку урожайности зерновых культур на 5...7%, снизить эксплуатационные затраты на 20...30% по сравнению с традиционной технологией предпосевной обработки почвы. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого орудия на предпосевной подготовке почвы под зерновые культуры составляет 304,92 руб./га, а срок окупаемости - 2 года. .

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ямалетдинов, М.М. Оценка технологического процесса обработки почвы на основе уравнений динамики сплошных сред / С.Г. Мударисов, М.М. Ямалетдинов, З.С. Рахимов, И.М. Фархутдинов // Достижения науки и техники АПК. 2010.-№1.-С.63-65.

патенты:

2 Пат. 2230445 Россия, МКИ А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / А.П. Иофинов, М.М. Ямалетдинов. - №2003100264; заявл. 01.04.2003; опубл. 20.06.2004.4 с.

в других изданиях:

3. Ямалетдинов, М.М. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / А.П. Иофинов, М.М. Ямалетдинов // Сельские узоры». 2002. - №3. - С.20.

4. Ямалетдинов, М.М. Методика экспериментальных исследований дискового культиватора» / А.П. Иофинов, М.М. Ямалетдинов // Материалы ХЬУШ международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 4. - Челябинск: ЧГАУ, 2003. - С.280-283.

5. Ямалетдинов, М.М. Исследование распределения напряжений в почве перед рабочими органами почвообрабатывающих машин / С.Г. Мударисов, М.М. Ямалетдинов // Материалы всероссийской конференции, посвященной 75-летию со дня открытия Чувашской ГСХА - Чебоксары: ЧГСА, 2006. - С.477-

6. Ямалетдинов, M.M. Агротехническая оценка комбинированного почвообрабатывающего орудия / С.Г. Мударисов, М.М. Ямалетдинов // Материалы XLVI международной научно-технической конференции «Достижения науки -агропромышленному производству». Часть 2. - Челябинск: ЧГАУ, 2007. - С.66-69.

7. Ямалетдинов, М.М. Тяговый баланс комбинированного почвообрабатывающего орудия. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения» - Уфа: БГАУ, 2008. - С. 129-130.

8. Ямалетдинов, М.М. Обоснование расстояния между дисками и угла их атаки комбинированного почвообрабатывающего орудия. // Материалы XLVIII международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». Часть 4. - Челябинск: ЧГАУ, 2009. - С.280-283.

9. Ямалетдинов, М.М. Обоснование параметров и расстановки лап комбинированного почвообрабатывающего орудия // Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием в рамках XIX Международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2009». - Уфа: БГАУ, 2009.-С. 159-162.

Лицензия РБ на издательскую деятельность № 0261 от 10.04.1998. Подписано к печати 15.04.2010 г. Формат 60x84. Бумага типографская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,16. Усл. печ. л.1,05. Тираж 100 экз. Заказ Издательство ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» Типография ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» Адрес издательства и типографии: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

Введение.

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Тенденции развития машин для поверхностной обработки -почвы и требования к качеству выполнения технологического процесса.

1.2 Анализ конструкций комбинированных почвообрабатывающих орудий.

1.3 Анализ научных исследований по обоснованию конструкции комбинированных почвообрабатывающих машин.

1.4 Анализ моделей почвенной среды.

1.5 Цель, задачи исследований.

2 Теоретические исследования взаимодействия рабочих органов с почвой

2.1 Модель процесса взаимодействия рабочего органа с почвой.

2.1.1 Определение расчетной области, начальных и граничных условий модели.

2.1.2 Численная реализация модели процесса взаимодействия рабочего органа с почвенной средой.

2.2 Теоретическое обоснование конструктивной схемы и параметров орудия.

2.2.1 Теоретическое обоснование компоновочной схемы орудия.

2.2.2 Размещение лаповых рабочих органов на раме орудия.

2.2.3 Выбор взаимного расположения лаповых и дисковых рабочих органов.

2.2.4 Выбор рационального расположения дисковых рабочих органов на раме орудия.

2.2.5. Выбор параметров прикатывающего катка.

Выводы по главе.

3 Методика экспериментальных исследований.

3.1 Оценка условий проведения экспериментальных исследований.

3.2 Методика проведения энергетической оценки орудия.

3.3 Методика проведения агротехнической оценки орудия.

3.4 Методика обработки экспериментальных данных.

Выводы по главе.

4 Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров комбинированного 99 почвообрабатывающего орудия.

4.1 Обоснование конструктивно-технологических параметров лаповых 99 рабочих органов орудия.:.

4.2 Обоснование конструктивно-технологических параметров орудия.

4.3 Обоснование параметров опорно-прикатывающего катка.

4.4 Результаты энергетической оценки орудия.

4.5 Результаты агротехнической оценки работы орудия.

Выводы по главе.

5 Технико-экономическая эффективность внедрения комбинированного почвообрабатывающего орудия в производство.

Выводы по главе.

Актуальность темы. В настоящее время уделяется особое внимание повышению эффективности и рентабельности сельскохозяйственного производства, а это в свою очередь требует повышения урожайности культур и применения передовой техники, обеспечивающей высокую производительность при минимальных затратах.

Повышение урожайности сельскохозяйственных культур и получение качественной продукции возможно только путем внедрения новых научно обоснованных технологий их возделывания, использованием высокопроизводительной, универсальной техники, дающих возможность изменения технологических параметров в зависимости от состояния почвы и биологических особенностей возделываемой культуры, т.е. агротехники.

Одной из наиболее ответственных технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур является обработка почвы, которая должна быть выполнена в сжатые агротехнические сроки и с требуемым качеством. Качеству обработки принадлежит важная роль в повышении продуктивности сельскохозяйственных культур. Среди операций обработки почвы наибольшее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур оказывает предпосевная обработка.

Предпосевная подготовка почвы достигается в результате выполнения следующих технологических задач: а) рыхления (крошения), б) перемешивания, в) формирования микрорельефа, г) уплотнения, д) создание требуемого сложения и строения обрабатываемого слоя почвы и т.п. Установлено, что наиболее благоприятные условия для роста и развития зерновых культур достигается при гетерогенном сложении обрабатываемого слоя почвы.

Многообразие задач обработки почвы требует наличия огромного количества разнообразных почвообрабатывающих орудий с различными рабочими органами, возможность применения которых зависит также от конкретных почвенно-климатических условий и исходного состояния почвы. Все это требует дополнительных затрат на их приобретение и обслуживание. Поэтому целесообразно конструировать и изготавливать универсальные машины, выполняющие различные технологические операции за один проход орудия по полю.

К настоящему времени разработаны и широко используются различные типы и конструкции агрегатов для предпосевной обработки. Распространение получают комбинированные орудия, выполняющие несколько различных технологических операций, что ускоряет производственный процесс, исключает многократные проходы агрегата по полю, снижает расход горючего и время на холостые переезды. Совмещение операций сокращает разрыв во времени между предпосевной обработкой почвы и посевом, что является важным резервом в использовании почвенной влаги.

Существующие,серийные орудия, для предпосевной обработки почвы не во всех почвенно-климатических условиях удовлетворяют агротехническим требованиям. Некоторые машины имеют серьёзные недостатки и требуют принципиально новых конструктивных решений, которые позволили бы снизить энергоемкость, повысить производительность агрегатов и улучшить удобство их обслуживания. К тому же комбинированные орудия не имеют возможности изменения технологических параметров в зависимости от состояния почвы на момент обработки.

Разработка комбинированного почвообрабатывающего орудия с изменяемыми параметрами требует в свою очередь досконального изучения процесса взаимодействия рабочих органов с почвой и исследования влияния схемы расстановки рабочих органов и их конструктивно-технологических параметров на качество обработки. Для этого необходимо разработать модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, обеспечивающую возможность обоснования конструктивно-технологических параметров орудия в целом.

В связи с этим, обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного почвообрабатывающего орудия на основе моделирования технологического процесса обработки почвы является актуальной задачей, имеющей большое значение для экономики страны.

Цель работы. Повышение качества предпосевной обработки почвы путем рационального комбинирования рабочих органов и обоснования их параметров на основе моделирования технологического процесса работы.

Объект исследования. Технологический процесс взаимодействия рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего орудия с почвой.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего орудия с почвой* изменения агротехнических и энергетических показателей работы в зависимости от его конструктивных и технологических параметров.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений и методов механики сплошных сред и классической механики. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик проведения экспериментов с применением метода планирования. Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Установлены начальные и граничные условия функционирования модели технологического процесса взаимодействия лаповых и дисковых рабочих органов с почвой с учетом ее физико-механических свойств и процесса уплотнения дна борозды.

2. Обоснована конструктивно-технологическая схема комбинированного почвообрабатывающего орудия (патент на изобретение №2230445 РФ).

3. Разработаны расчетные схемы и получены аналитические выражения для определения основных конструктивно-технологических и параметров орудия с комбинированными рабочими органами для поверхностной обработки почвы.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. По результатам исследований обоснованы параметры и создан экспериментальный образец комбинированного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы, обеспечивающий качественное выполнение технологического процесса за один проход агрегата.

Орудие с обоснованными конструктивно-технологическими параметрами внедрено в ФГУП «Учебно-опытное хозяйство «Миловское» Республики Башкортостан и учебно-научном центре ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ». Разработанная конструкция комбинированного почвообрабатывающего орудия рассмотрена на Научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан и рекомендована к выпуску. Разработанная модель технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвенной средой используется в учебном процессе кафедры «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ».

Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой о фундаментальных и приоритетных прикладных исследованиях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001.2005 гг. «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства» на кафедре «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет.

Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному комплексу» (Челябинская ГАА, г. Челябинск) в 2002.2009 гг., на всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном комплексе» (Башкирский ГАУ, г. Уфа) в 2002.2010 гг.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 научных статей, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение. Общий объем опубликованных работ составляет 2,3 п.л., из них авторских-1,2 п. л. •

Структура и объем работы. Основной материал диссертационной работы представлен на 150 страницах машинописного текста и содержит введение, пять глав, выводы и приложения. Диссертация содержит 15 таблиц, 45 рисунков и иллюстраций, приложений на 31 с. Список использованной литературы включает 115 источников, 2 из которых на иностранном языке.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающего орудия с почвой как система уравнений динамики почвенной среды с учетом физико-механических свойств (плотность, вязкость, трение) и силы реакции неразрушенного пласта почвы. Установлены начальные условия функционирования модели, связанные с физико-механическими свойствами почвенной среды, и граничные условия, связанные с конструктивными параметрами рабочих органов и технологическими параметрами процесса обработки. На основе разработанной модели установлены закономерности взаимодействия рабочих органов с почвой, движения почвы по рабочей поверхности и силовые характеристики.

2. Разработана технологическая схема комбинированного почвообрабатывающего орудия для послойной предпосевной обработки почвы по стерневым и пахотным фонам, состоящего из трех рядов лаповых рабочих органов, дисковых рабочих органов, установленных за лапами в два ряда попарно встречно по следу каждой лапы с возможностью изменения угла атаки и опорно-прикатывающего катка (патент №2230445 РФ).

3. Обоснованы по результатам теоретических и экспериментальных исследований конструктивно-технологические параметры комбинированного почвообрабатывающего орудия:

- расстояние между рядами лаповых рабочих органов - 600 мм;

- расстояние между стойками лап одного ряда — 810 мм;

- высота стойки лапы — 700 мм;

- расстояние между задними лапами и осью вращения дисков переднего ряда - 600 мм;

- расстояние между рядами дисков - 700 мм;

- расстояние от оси вращения дисков заднего ряда до оси катка 700 мм.

4. Обоснованы по результатам теоретических и экспериментальных исследований конструктивно-технологические параметры рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего орудия:

- для лаповых рабочих органов: ширина захвата - 330 мм, угол крошения - 26°, угол раствора - 65°;

- для дисковых рабочих органов: диаметр - 450 мм, радиус кривизны -1000 мм, диапазон регулирования угла атаки для типичных черноземов при влажности почвы 17.30%- 15.30°;

- для опорно-прикатывающего катка: диаметр — 400 мм, количество прутков -11, расстояние между прутками - 115 мм, диаметр прутков - 400 мм, угол наклона прутков относительно оси вращения 25°.

5. Установлены на основе экспериментальных исследований агротехнические показатели комбинированного почвообрабатывающего орудия с предложенными конструктивно-технологическими параметрами: степень крошения почвы - 80.85%; выравненность поверхности почвы - 2.4 см; выравненность дна борозды - 0,5. 1,0 см; отклонение глубины обработки от заданной - 0,5,. 1,0 см.

6. Определена экономическая эффективность технологического процесса предпосевной обработки почвы. Применение комбинированного почвообрабатывающего орудия позволяет повысить степень крошения, что обеспечит прибавку урожайности зерновых культур на 5.7%, снизить на 20.30% эксплуатационные затраты по сравнению с традиционной технологией поверхностной (предпосевной) обработки почвы. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого орудия на предпосевной подготовке почвы под зерновые культуры составляет до 304,92 руб./га, а срок окупаемости - 2 года.

1. А.с. 1586541 СССР, МКИ А 01 В 49/02. Почвообрабатывающее орудие / X. С. Гайнанов, Е, В, Ермолко, Г. Г. Булгарев, И. Г. Энвальд, В. С, Комиссаров (СССР) /, 1990. -№ 34.

2. А.с. 1662377 СССР, МКИ А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / Л. Э. Попов, О. С. Марченко, В. В. Бычков, Н. И., В. Н. Вершинин (СССР) /, 1991. -№ 21.

3. А.с. 976872 СССР, МКИ А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / И. К. Макарец, В. В. Парамонов, Ю. И. Токов, Л. X. Ким, Е. В. Кропя (СССР)/, 1988.-№ 44.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Наука, 1976.- 280 с.

5. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. М.: Высшая школа, 1976.- 245 с.

6. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин. М.: Машиностроение, 1994.-432 с.

7. Бараев А.И., Зинченко И.Г. Основная и предпосевная обработка почвы // Почвозащитное земледелие. М., 1975. -С.126-167.

8. Белов Г.Д., Гордиенко Н.М., Филиппова Г.П. Новые приемы обработки под зерновые. -Минск: Ураджай, 1980 — 102 с.

9. Бидлингмайер Р.В. Исследование динамики прицепного культиватора-плоскореза в продольно-вертикальной плоскости и обоснование основных параметров его схемы. Дисс. канд. техн. наук: Алма-Ата, 1974.

10. Бурченко П. Н. Основные технологические параметры почвообрабатывающих машин нового поколения // Теория и расчет почвообрабатывающих машин: Тр. /ВИМ.-М., 1989. -Т. 120. С. 12-43.

11. Василенко П.М., Бабий П.Т. Культиваторы. -Киев, 1961 239 с.

12. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1967.- 159 с.

13. Ветохин В.И. Модель крошения почвы под действием клина. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1994. №10. С.25-27.

14. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.:Машиностроение, 1971.-360 с.

15. Вилде А.А., Русинис А.А. Влияние физических и механических свойств почвы на тяговое сопротивление плуга. //Экология и с.-х. техника. -СПб., 2002. Т.2. С.48-54.

16. Высоцкий А.А. Динамометрирование сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение, 1968.- 290 с.

17. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978 - 447 с.

18. Гайфуллин Г.З. Механико-технологические основы разработки и совершенствования рабочих органов машин для почвозащитного земледелия: Автореф. дис. докт. техн. наук. Челябинск, 2003.- 42 с.

19. Горячкин В.П. Собрание сочинений в 3-х томах. М: Колос, 1965. -Т.1 - 720 с.

20. ГОСТ 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний». М.: изд-во стандартов, 1975.- 36 с.

21. ГОСТ 23728.23730-88 Техника сельскохозяйственная. Основные положения, показатели и методы экономической оценки. М: Госкомитет СССР по стандартам, 1988 — 25 с.

22. ГОСТ 23728.23730-88 Техника сельскохозяйственная. Основные положения, показатели и методы экономической оценки. М: Госкомитет СССР по стандартам, 1988 - 25 с.

23. Гофман Г., Хут Г.Ф. Исследование напряженно — деформированного состояния искусственно изготовленных почвенных образцов при их на-гружении. // Проектирование рабочих органов почвообрабатывающей и зерноуборочной техники. Межвуз.сб. Ростов на Дону.

24. Грибановский А. П. Исследование и выбор оптимальных параметров рабочих органов и конструктивной схемы культиватора-плоскореза для обработки почв, подверженных ветровой эрозии. Дисс. .канд. техн. наук: Алма-Ата, 1968.

25. Грибановский А.П., Бидлингмайер Р.В. Комплекс противоэрози-онных машин. М.:ВО «Агропромиздат», 1989 - С.14-80.

26. Грунтоведение. Под ред. В.Г.Трофимова 6 изд., перераб. и доп,-М.: Изд-во МГУ, 2005.- 124 с.

27. Гунов Я. С. Механико-технологическое обоснование энергосберегающих средств механизации обработки почвы в условиях Украины: Авто-реф. дис. .д-ратехн. наук. -Глеваха, 1998.-33 с.

28. Гуреев И.И. Принципы минимализации адаптивно-ландшафтных систем земледелия // Земледелие.- 1995.- №3.- С.42-43.

29. Гячев JI.B. Теория лемешно-отвальной поверхности. Зерноград, АЧИМСХ, 1961.-318 с.

30. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высш. Шк.,1989 - 624 с.

31. Дринча В.М. Развитие агроинженерной науки и перспективы агро-технологий. М.: ВИМ, 2002.- 184 с.

32. Дринча В.М., Борисенко И.Б., Плескачев Ю.Н. Агротехнические аспекты развития почвозащитных технологий: Монография. Волгоград: Перемена, 2004 - 146 с.

33. Желиговский В.А. Элементы теории почвообрабатывающих машин и механической технологии сельскохозяйственных материалов. Тбилиси: Грузинский СХИ, 1970.- 148 с.

34. Зеленин А.Н. Резание грунтов. М.: Наука, 1959.- 360 с.

35. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для землеройных работ. М.: Машиностроение, 1975 — 424 с.

36. Зенков P.JL Механика насыпных грунтов. М.: Машиностроение, 1964.-270 с.

37. Иофинов А.П. Основы научных исследований. Уфа: изд-во БГАУ, 2001.-114 с.

38. Иофинов А.П., Ямалетдинов М.М. Комбинированное почвообрабатывающее орудие // Сельские узоры.- 2002.- №3.- С20.

39. Иофинов А.П., Ямалетдинов М.М. Методика экспериментальных исследований дискового культиватора» XLVIII международная научно-техническая конференция «Достижения науки агропромышленному производству» Часть 4. - Челябинск: ЧГАУ, 2003.- С.280-283.

40. Иофинов А.П., Зиязетдинов Р.Ф., Гафуров И.Д. Подготовка к работе сельскохозяйственных машин общего назначения (учебное пособие). Уфа: изд-во БГАУ, 2002.- 76 с.

41. Иофинов А.П. Оценка качества полевых механизированных работ. Сб. Соверш. конструкций с.-х. техники-Уфа: Ульяновский СХИ, 1988.

42. Канарев Ф. М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М.: Машиностроение, 1983.- 138 с.

43. Капов С.Н., Рахимов И.Р. Модели почвы в земледельческой механике. // Тезис доклада на XL научно-технической конференции ЧГАУ, Челябинск, 2001. С.322-324.

44. Карвовский Т., Касимов И. И др. Обработка почвы при интенсивном возделывании полевых культур. -М.: Агропромиздат, 1988.-247 с.

45. Карпенко А.Н., Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины. -М.: Агропромиздат, 1989 527 с.

46. Каштанов А.Н., Заславский М.Н. Почвоохранное земледелие. М.: Россельхозиздат. 1984.- 462 с.

47. Клокова Н.П и др. Тензодатчики для экспериментальных исследований.-М.:Машиностроение.-1972.-158 с.

48. Колмаков П.П., Нестеренко A.M. Минимальная обработка почвы. -М.: Колос, 1981.-252 с.

49. Комбинированное почвообрабатывающее орудие /А. Ф. Жук // Современные тенденции мирового сельскохозяйственного машиностроения.-М.: АО "Трактороэкспорт", 1995.- С.48-63.

50. Комбинированное почвообрабатывающее орудие /Л. Э. Попов, О. С. Марченко, В. В. Бычков, Н. И. Харенко, В. Н. Вершинин // Современные тенденции мирового сельскохозяйственного машиностроения. -М.: АО "Трактороэкспорт", 1996.- С.68-72.

51. Крейтовая система LTC. Техническое описание и инструкции по эксплуатации. М.: АОЗТ L-Card, 1997.-34 с.

52. Кулен А., Куиперс X. Современная земледельческая механика. М.: Агропромиздат, 1986.- 349 с.

53. Кушнарев А.С. Механико-технологические основы процесса воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий на почву. Дисс. .докт. техн. наук. Мелитополь, 1980.-328 с.

54. Кушнарев А.С. Реологическая модель почв при воздействии на них почвообрабатывающих органов. // Вопросы механизации сельского хозяйства. Т.17. Мелитополь, 1971.

55. Кушнарев А.С., Кочев В.И. Механико-технологические основы обработки почвы. -К.: Урожай, 1989.- 144с.

56. Листопад Г.Е., Демидов Г.К. и др. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М.: Агропромиздат, 1986. - 688 с.

57. Луканин Ю.В. Исследование воздействия клина на почву. Авто-реф. дисс. .канд. техн. наук. Челябинск, 1965- 22 с.

58. Лучинский Н. Д. Кинематика и динамика некоторых механизмов сельскохозяйственных машин. -М.: Наука, 1972,- 444 с.

59. Любимов А.И., Рахимов Р.С., Янкелевич В.Г. Элементы системы автоматизированного проектирования широкозахватных почвообрабатывающих машин. Челябинск, 1988.- 72 с.

60. Мазитов Н.К. Блочно-модульный почвообрабатывающе-посевной комплекс: Монография: Достижения науки и техники АПК, М., 2008.- 224 с.

61. Мазитов Н.К. Ресурсосберегающие почвообрабатывающие машины. Казань, 2003.- 456 с.

62. Мазитов Н.К., Тагирзянов Т.Е., Хлызов Н.Т. и др. Энерго- и ресурсосберегающие технологии обработки почвы и посева // Техника в сельском хозяйстве.- 2006.- №6,.- С.28-32.

63. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии.- М.: Высшая школа, 1968. 235 с.

64. Мацепуро М.Е. Вопросы земледельческой механики. Минск: Гос. изд-во БССР, 1959.-388 с.

65. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. -М.: Колос, 1980. 112 с.

66. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники / Под. ред. Н.С.Власова. М.: Колос, 1979. - 399 с.

67. Митин С.Г. О мерах по организованному проведению национального проекта «Развитие АПК»в 2006 году // Техника и оборудование для села.- 2006.-№3.- С.2-3.

68. Мударисов С. Г. Совершенствование конструкции и управления качеством работы почвообрабатывающих дисковых орудий в целях повышения их эффективности. Дис. .канд. техн. наук. Уфа 1996,— 165 с.

69. Мударисов С.Г. Моделирование процесса взаимодействия рабочих органов с почвой.// Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2005. №7.- С.27-30.

70. Мударисов С.Г. Повышение качества обработки почвы путем совершенствования рабочих органов машин на основе моделирования технологического процесса. Дис. .докт. техн. наук. Челябинск, 2007 — 360 с.

71. Мударисов С.Г., Ямалетдинов М.М. Исследование распределения напряжений в почве перед рабочими органами почвообрабатывающих машин

72. Материалы всероссийской конференции, посвященной 75-летию со дня открытия Чувашской ГСХА Чебоксары: ЧГСА, 2006. - С.477-479.

73. Мударисов С.Г., Ямалетдинов М.М. агротехническая оценка комбинированного почвообрабатывающего орудия. XLVI международная научно-техническая конференция «Достижения науки агропромышленному производству» Част 2. Челябинск: ЧГАУ.- 2007. - С.66-69.

74. Мударисов С.Г., Рахимов З.С., Ямалетдинов М.М., Фархутдинов И.М. Оценка технологического процесса обработки почвы на основе уравнений динамики сплошных сред. //Достижения науки и техники АПК. 2010. -№1- С.63-65.

75. Нарциссов В.П. Научные основы систем земледелия. М.: Колос, 1982.-236 с.

76. Новиков Г.В. Компьютерные системы регистрации измерений и управления для испытаний мобильных объектов //Тракторы и с.-х. машины. 2003. №1. - С.14-19.

77. ОСТ 102.18-2001. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы экономической оценки. М.: Минсельхоз России, 2001- 36 с.

78. ОСТ 70.4.2-80 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей».

79. Панов А.И. Физические основы механики почвы. //Науч.тр./ВИМ, 2000; Т.131, С.46-51.

80. Панов И.М. Механико-технологические основы расчета и проектирования почвообрабатывающих машин с ротационными рабочими органами. Автореф.дисс. .докт.техн.наук. Челябинск, 1984.-36 с.

81. Пат. 2102847 Россия, МКИ' А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / А. Ф. Жук / Б И, 1998. Бюл. № 2.

82. Пат. 2108014 Россия, МКИ А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие/ А. Ф. Жук (Россия) / Б И, 1998., Бюл. № 21.

83. Пат. 2230445 Россия, МКИ А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / А. Ф. Жук (Россия) / Б И, 1999., Бюл. № 42.

84. Пат. 2230445 Россия, МКИ 7 А 01 В 49/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / А.П. Иофинов, М.М. Ямалетдинов. -№2003100264; заявл. 01.04.2003; опубл. 20.06.2004.- 4 с.

85. Пигулевский М.Х. Основы и методы экспериментального изучения почвенных деформаций./ В кн. «Теория, конструкция и производство сельскохозяйственных машин», т.2, М., 1936 - С.47-51.

86. Подскребко М.Д. Повышение эффективности использования тракторных агрегатов на основной обработке почвы. Дисс. .докт. техн. наук. Челябинск, 1975.-391 с.

87. Почвозащитное земледелие. Под общей редакцией А.И.Бараева;. -М.: Колос, 1975.-325 с.

88. Рахимов Р.С. Повышение эффективности технологического процесса работы противоэрозийных почвообрабатывающих машин: Дисс. .докт. техн. наук: Челябинск, 1990. -434 с.

89. Ребелейн В. Исследование рациональных параметров расстановки ротационных и плоскорежущих рабочих органов в комбинированных почвообрабатывающих агрегатах: Автореф. дис. .канд. техн. наук. — Ростов-на-Дону, 1980.-21 с.

90. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965.- 178 с.

91. Сергеев Е.М. Грунтоведение. М.: Изд-во МГУ, 1959 - 333 с.

92. Синеокое Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. -М.: Машиностроение, 1977.- 328 с

93. Сираев М.Г., Нафиков Р.З. Влагосберегающая обработка чистых паров под озимую пшеницу. // Сельские узоры. -2002. -№3. -С.21.

94. Современные тенденции мирового сельскохозяйственного маши-ностроения.-М.: АО "Трактороэкспорт", 1995.-С.48-63.

95. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: Наука, 1976. -273 с.

96. Спирин А.П. Мульчирующая обработка почвы. М.: ВИМ, 2001. -135 с.

97. Терцаги К. Теория механики грунтов. Пер. с нем. М.: Госстрой-издат, 1961.- 507 с.

98. Технология возделывания и уборки сельскохозяйственных культур, заготовки зерна и кормов. -ЧНИИСХ., п. Тимирязевский, 1990. -С. 15-23.

99. Типовые нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые работы в сельском хозяйстве. Часть I (основная и предпосевная обработка почвы). — М.: Колос, 1973 660 с.

100. Типовые нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые работы в сельском хозяйстве. Часть II (основная и предпосевная обработка почвы). — М.: Колос, 1973 — 660 с.

101. Типовые нормы выработки и расхода топлива на сельскохозяйственные механизированные работы. М.: Россельхозиздат, 1981 - 400 с.

102. Тростянский С.А. Особенности конструкции и тенденции развития широкозахватных противоэрозионных машин. Обзорная информация. ЦНИИТЭИ: Тракторсельхозмаш, М.; 1980. -38 с.

103. ЮЗ.Халанский В.М., Горбачев И.В. Сельскохозяйственные машины. -М.: Колос, 2003. 624 с.

104. Хробостов С.Н. Эксплуатация МТП. -М.: Колос, 1996. С365-373.

105. Циммерман М.З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин. -М.: Машиностроение, 1978.- 295 с.

106. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974.-640 с.

107. Шатин В.Я., Буряков А.С. Результаты экспериментальных исследований по изысканию рабочего органа для предпосевной обработки почвына стерневых фонах. В кн. Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов. Вып. 135. Челябинск, 1978.- С.88-93.

108. Шульгин И.Г. Исследование работы и обоснование параметров культиватора-плоскореза для поверхностной обработки почвы, подверженных ветровой эрозии в условиях северного Казахстана. Дисс. .канд. техн. наук: Челябинск, 1975.-198 с.

109. Шульгин И.Г., Любимов А.И. и др. К обоснованию основных параметров и режимов работы культиватора-глубокорыхлителя к энергонасыщенным тракторам. В кн. Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов. Вып. 135. Челябинск, 1978.- С.70-76.

110. Ягодин О.Н., Соколов Б.Ф. Практикум тензометрирования. Челябинск, 1972.- 88с.

111. Ямалетдинов М.М. Тяговый баланс комбинированного почвообрабатывающего орудия. Всероссийская научно-практическая конференция «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения». Уфа: БГАУ, 2008. С. 129-130.

112. Agricultural engineering. 1998 г.- 92 с.

113. Stroppel A. Soil tillage machines of the fiiture.25 Sympsium "Actual Tasks on Agricultural Engieneering", Opatija, Croatia, 1997.- C.57-60.