автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.04, диссертация на тему:Обоснование параметров и режима работы плужных каскадных каналокопателей для нарезки временных оросительных сетей



> #

На правах рукописи

Кодар Ерден Тасыбекулы

УДК 631.312.63

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ПЛУЖНЫХ КАСКАДНЫХ КАНАЛОКОПАТЕЛЕЙ ДЛЯ НАРЕЗКИ ВРЕМЕННЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Специальность - 05.20.04 - сельскохозяйственные и мелиоративные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Кызылординском политехническом институте им. И.Жахаева и Московском Государственном Университете Природообустройства

Научный руководитель:

Официальные оппоненты -

Научный консультант Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Темиров Б.Т.

доктор технических наук, профессор Казаков B.C.

кандидат технических наук, ст.научн. сотрудник Кокоз В.А. доктор технических наук, почетный профессор КПТИ Суриков В.В. Кызылординская зональная машиноиспытательная станция (МИС)

Защита состоится " _1997 г. в 10 часов на заседа-

нии диссертационного совета К.120.16.02 по присуждению ученых степеней Московского Государственного УниверситехаЛриродообустройства. Ауд.1/201.

Адрес: 127550, г.Москва, ул.Прянишникова, 19, МГУП, диссертационный совет К.120.16.02

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП. Автореферат разослан "

" оетйд/ОЯ 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Т.И.Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Из 40 млн.га посевных площадей Казахстана поливное земледелие составляет 4% , при этом дают свыше 20% валовой продукции Республики.

Основным регионом орошаемого земледелия Казахстана является Кы-зылординская область, на территории которой сосредоточено 80% посевов риса и производится около 90% всего зерна риса Республики. Удельная протяженность оросительной и осушительной сети в этом регионе составляет 100...200 м/га и превышает в 3...5 раз среднюю удельную протяженность их в Казахстане. Поэтому весьма актуальными являются вопросы использования и совершенствования техники для механизации поверхностного полива. Среди них особое место занимают плужные каналокопатели, на долю которых приходится до 90% всего прокладываемых временных оросителей. Важное значение в связи с этим имеет разработка по совершенствованию их конструкции, а также установление их оптимальных параметров и режимов работы.

Цель работы - разработка конструкции плужного каналокопателя с каскадным рабочим органом с обоснованием ее параметров и режимов работы, позволяющий повысить их производительность с требуемыми показателями качества прокладываемого канала.

Методика исследований. Использованы методы механики и математического моделирования, планирования эксперимента, статистической обработки результатов опытов. При этом параметры и режимы работы каскадного каналокопателя обоснованы на основе системного подхода.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на грунтовом канале с использованием теории физического моделирования и в произ-водствепетлу условиях с применением натурных образцов.

Объекты исследования. Природно-производственные условия работы плужных каналокопателей; физико-механические свойства почво-грунта; режимы работы плужных каналокопателей с обычным и каскадным рабочим органом.

Научная новизна.

1. Предложена конструкция плужного каскадного каналокопателя для кладки временных оросителей малых сетей и борозд в рисовых чеках.

2. Разработана математическая модель "каскадный каналокопатель-гр которая позволяет аналитически получить параметры требуемого каналокопате!

3. Обоснованы оптимальные параметры и режимы работы плужного ка ного каналокопателя с учетом вероятностного характера изменения действу» факторов.

4. Разработана методика экспериментальных испытаний и оценки кач прокладки временник оросителей малых сетей и борозд.

5. Установлено влияние условий работы на параметры, режимы рабо показателей плужных каналокопателей.

Практическая ценность работы.

1. Установка на плужный каналокопатель сменного каскадного рабочег гана позволяет уменьшить тяговые сопротивления на 20...24% при одновреме; росте производительности на 25...30%.

2. Обоснование оптимальных параметров и режимов работы плужного кадного каналокопателя позволяет уменьшить затраты материальных и денеа средств на 15—20% по сравнению с базовьм вариантом.

3. Разработанная математическая модель достаточно точно описывает: гетические и технологические показатели плужного каскадного каналокопателя.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклад лись и одобрены на научно-технических конференциях профессо| преподавательского состава МГУП и КПТИ им.И.Жахаева в 1994...1997 год; также в периодических изданиях.

Публикация результатов работы. Опубликованы по теме диссертац статьи и 1 депонирована в сборнике "Депонированные научные работы".

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и п| ложений. Работа изложена на страницах машинописного текста и стра приложений, содержит 16 таблиц м 64 рисунков. Список литературы включает в 132 наименований, из них 6 на иностранном языке.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и ее основное научное направление с применением современных методов математического моделирования.

В главе 1 проведен анализ основных направлений по разработке плужных каналокопателей, методов определения основных параметров рабочих органов и на их основе сформулированы цели и задачи исследования.

Установлено, что в последние годы, в связи с появлением новых форм хозяйствования, расширилась область применения плужных каналокопателей. В Казахстане их использования выросло примерно на 40%. Также основанием для проведения исследования послужили постоянное использование плужных каналокопателей в прокладке борозд по периметру рисовых полей в Кызылординской области Казахстана.

В первой части главы охарактеризованы природно-производственные особенности использования плужных каналокопателей.

Во второй части приведены классификация способов прокладки временных оросителей и борозд, агротехнические требования к ним, а также анализ существующих конструкций плужных каналокопателей и тенденция их развития.

Анализом литературных источников установлено, что исследованиями рабочего процесса мелиоративных плужных каналокопателей стали заниматься последние 30...40 лет. Большой вклад в перспективу развития плужных каналокопателей внесли М.Е. Мацепуро, М.Л. Гусяцкий, М.Л. Багринцев, А.Д. Панасенко, Л.С. Петлах, А.З.Мамедов, С.А.Менчикова, З.Е. Гарбузов, Р.Л. Турецкий, А.И.Кузнецов, В.К. Шаршак, В.С.Казаков, В.А. Кокоз, В.В. Сконодобов, С.Славов и многие другие. В их работах рассмотрены отдельные вопросы теории плужных рабочих органов, в том числе форма рабочего органа, его параметры, способы построения лемешно-отвальной поверхности. Также предложены различные формулы для определения тягового сопротивления при работе плужных каналокопателей и пути их снижения.

Анализом установлено, в настоящее время при работе плужных каналокопателей особенно не учитываются влияние таких вероятностных факторов как влажность, связность почво-грунта, которые в свою очередь оказывают огромное влияние на их работу.

Исходя из этого, были обоснованы следующие основные задачи исслед*

ния:

1. Определение параметров конструкции плужного каскадного каналом

теля;

2. Обоснование режимов работы плужного каналокопателя с каскадным бочим органом;

3. Проведение экспериментальных исследований по определению пара» ров плужного каскадного каналокопателя;

4. Проведение экспериментов по определению величин составляющих ; лий копания;

5. Проведение сравнительных энергетическую и экономическую оценок) кадного и обычного плужных каналокопателей.

В главе 2 теоретически обоснованы параметры и режимы работы плужг каскадного каналокопателя, определены составляющие усилия копания и мет* физического моделирования.

Необходимость ресурсосберегающего использования сельскохозяйствен и мелиоративной техники в области мелиоративного освоения эродированных и лонцовых почв обуславливает совершенствования конструкции комбинирован; плужных корпусов при прокладке временных оросителей.

Плужный рабочий орган взаимодействуя с грунтом, выполняет следую! работы: отделение грунта от массива, его подъем без оборота на высоту лем подъем пласта с оборотом и уложение вырезанного пласта на обе стороны про! даваемого канала. При этом исследователями отмечаются, что затраты на отделе грунта от массива незначительны и основные затраты приходятся на подъем и ладку пласта.

Следовательно, пути снижения затрат приходятся на подъем пласта.

С этой целью разработана и экспериментально исследована конструк плужного каналокопателя с каскадным рабочим органом.

Для установления закономерностей технологического процесса кош грунта каскадным рабочим органом приняты существующие аналитические зав: мости.

В общем виде зависимости для определения имеют следующий вид:

иг2] -чийг&пб ын > [{)

пЛГр ®

0 8 где Нтах - полная высота рабочего органа, м; у=~ + тН

(ш - коэффициент заложения откосов, Ьз- ширина канала по дну,м); Р - нормальное давление грунта на отвальную поверхность, кПа, р = Г(Н); 8 - угол резания г рад- X -угол стрельчатости, град; в - угол между траекторией движения пласта грунта и направлением рабочего передвижения плужного рабочего органа; Г - коэффициент трения грунта по стали; tfX4.fi- вспомогательные углы, определенные методами сферической геометрии.

При этом учитывается тот факт, что пласт фунта, проходя каскады получает

импульсы, которые приведены в формуле:

р 85 /тш^Х, + (Л+Лк)г-£* * * V ( з )

где N - мощность на рабочий процесс, кПа; Ц -коэффициенттрения; Я - ускорение свободного падения, м/с2; - высота каскада, м.

Рг и рж - плотности соответственно грунта и жидкости, кг/м3; а - толщина срезаемого пласта, м;

Ь - ширина пласта, равной ширине каскада, м; 1 - длина каскада, м.

Обоснование оптимальных режимов работы предусматривало определение оптимальной скорости движения и ширины канала по верху, при которых производительность достигает наибольшее значение.

В качестве критерия оптимизации принят минимум удельных энергозатрат

Е = __*-т£п Г&\

п 3-1/ '

где № - номинальная мощность, кВТ;

- степень использование мощности' В - ширина нарезаемого канала.м; V - скорость движения, м/с На рисунке 1 приведена зависимость расхода топлива от влажности почвы

Рис.1 Зависимость расхода топлива от влажности почвы

На рисунке 2 представлены зависимости производительности и

гового сопротивления И^Я* от влажности грунта при работе каскадного КК-0 обычного КЗУ-О.ЗВ каналокопателей.

г,о

| <а

I

•с>

I

«а

«сэ «*>

53 §

ио

0,5

-----

■12,0

9,0

•6,0

-3,0

1

с

I

I

I 1

I

5 10 15 20 25 30

-----КЗУ-О.ЗВ

--: КК-0,5

Рис.2. Зависимости производительности и тягового сопротивления !

К4от влажности грунта при работе каскадного КК-0,3 и обычного КЗУ - 0,3В ка] локопателей.

Также установлены динамика изменения влажности грунта и периоды I пользования каналокопателей КЗУ - 0,3В и КК-0,3, что представлены на рисунке 3

(алре/гд месяц)

Рис.3 Определение времени использования каналокопателей КК-0,3 и КЗУ-

0,3В.

Из рисунка 3 можно осуществить выбор применения КК-0,3 и КЗУ-0,3В в зависимости от состояния почвы.

Проведенные теоретические исследования показывают значительные возможности по совершенствованию конструкции плужных каналокопателей и по снижению энергозатрат и повышению их производительности.

В главе 3 изложены основные положения программы и методики экспериментальных исследований. В соответствии с программой экспериментальных исследований предусматривалось выполнение следующего объема работ:

1. Анализ и обобщение статистических данных по испытаниям плужных каналокопателей для прокладки временных оросителей и борозд;

2. Определение природно-производственных условий работы плужных каналокопателей;

3. Определение длины и угла расположения каждого каскада на рабочем органе, при котором достигается минимальное тяговое сопротивление;

4. Определение суммарных горизонтальной и вертикальной реакции грунта при работе плужных каскадных каналокопателей;

5. Установление оптимального режима работы плужного каналокопателя с каскадным рабочим органом в зависимости от природно-производственных факторов;

6. Обработка результатов экспериментальных исследований.

Наиболее целесообразным для выполнения перечисленных работ являет изготовление моделей каскадного и обычного каналокопателей методами физн1 ского моделирования и проверкой натурных образцов по полученным результат; лабораторных исследований.

На первом этапе экспериментальных исследований определялись в перв} очередь показатели, влияющие на работу каналокопателей, такие как: размеры рис вых чеков и карт, а также влажность, твердость и объемный вес грунтов и почв.

Вторая часть опытов посвящалась проведению однофакторных экспериме тов. При этом оценивалось влияние угла расположения и длины каскада на произг дительность (тяговое сопротивление) плужного каскадного каналокопателя.

Оценка нескольких зависимостей происходила с помощью уравнений р| рессий и устанавливались требуемые оптимальные величины длины и угла распо; жения каскадов по максимуму производительности (или по минимуму тягового < противления).

Следует отметить влияние влажности грунта на работу плужного каскаднс каналокопателя. При прокладке борозд обычного плужного каналокопателя М" 80/82+КЗУ-0,ЗВ на грунте с влажностью ад < 18% по сравнению с плужным каск; ным каналокопателей МТЗ-80/82+КК-0,3 тяговое сопротивление составило 13,8 I что на 18...20% больше по сравнению с каскадным каналокопателей.

Также установлено, что у плужного каскадного каналокопателя благодг форме рабочего органа не происходит "заклинивания" пласта. Но с ростом влаж! сти ад > 22% начинается залипание рабочего органа у каскадных плужных канало) пателей. При этом следует подчеркнуть, что экспериментами установлены во вре прокладки временных оросителей и борозд по периметрам рисовых полей значе! влажности грунта находится в пределах ад = 6...12%.

Для установления оптимального режима работы плужного каскадного ка локапателя проведены хрономегражные наблюдения за его работой.

Все полученные результаты обрабатывались методами математической с тистики, при этом предложена методика оценки качества прокладываемого ороси ля по бальной системе.

В главе 4 диссертации изложены результаты экспериментальных исследований, математического моделирования технологического процесса прокладки временной оросительной сети, проведения сравнительной энергетической и экономической оценки эффективности, внедрения результатов исследований.

В первой части главы в качестве основных природно-производственных показателей, влияющих на работу плужных каналокопателей, определены в виде гистограмм распределений площади рисовых чеков карт Р*, а также длина и ширина чеков А, 8?. При этом получены математические ожидания Р* =2,34 га, Рк =9,71 га, Ь,г =174 м, =124 м при среднеквадратных отклонениях бг=0,582 га,

6к =2,39 га, 611 =9,9 м, б (г =40,8 м и коэффициентах вариации =24,79 %, ^к =24,61 %л)ге =8,03 % и =23,14 %.

Наибольшие влияния на работу плужных каналокопателей оказывают физико-механические свойства грунта, такие как влажность, твердость, объемный вес и т.д. При этом учитывая стохастический характер изменения этих показателей, определены их основные числовые характеристики методами теории вероятности.

Гистограммы распределения влажности, твердости, объемного веса почвы и грунта в зависимости от их типа приведены на рисунках 4, 5 и 6.

&

40 20 20 10

40 30 20 Iо

б30= 0,74

X

0 £23456 <0,Х 0 £ 2 3 4 5 6 (О, У,

а

Рис.4. Гистограммы распределения влажности почвы: а - при глубине Ь = =20 см; б - при глубине Ь = 30 см.

4о 30

го ю о

¿0=26,9%-

/{0-3,5? МЛа

¿,5 2,5 з,5 4,5 р1 та

а

№

40

30 20 10 О

Рх^3,88№

2,6 4,2

5

Рис.5. Гистограммы распределения твердости почвы: а-при глубине Ь-201 б - при глубине 11 = 30 см.

1%

20 30 *О

30 20 10

1£5 1,35 МО 1,45 Т,г/<*>ъ

а

о,о1у;

0,95 1,05 1,15 1,25 б

Рис.6 Гистограммы распределения сСьемного веса: а - средняя почва; средний грунт.

Также в ходе экспериментальных исследований определены основные еловые характеристики удельного сопротивления копанию каскадного и обычн каналокопателей и его составляющих, которые приведены в таблице 1.

1.Распределения основных показателей составляющих удельного сопротивления копанию.

Модель всноб- /¡Ыгбы Грунты

кана/ют-латеж циеио-тзагош Клоп К коп. к К КОП-Л А'ш.О Нт Кыаг И КОП. Л К Хм о

4,70 0,70 2,90 1/0 5,20 0,53 3,45 /24

тщ Ш 0,09 0,89 0,95 0,4? 0,23 0,65 М

%% зом Щ75 50,6 48,07 9,03 44,8 25,19 46,01

М[ф 2,55 0,39 4,59 0,57 3,08 0,55 1,77 5,76

кт б'/М 0,73 0/9 0,75 0,40 0,93 0,07 0,38 0/6

и 28,6 36/4 54,78 30,3 /0/8 21,69 17,20

При этом, как видно из рисунка 7, наблюдается тенденция роста удельного сопротивления копанию почвы с увеличением плотности почвы.

Следует отметить, что наиболее благоприятным моментом в Кызылорд! ской области для прокладки борозд в рисовых чеках и временных оросителей явJ ется вторая декада апреля, когда температура воздуха составляет + 10...+15 С.

При этом среднее значение влажности грунта не превышает 13% и залш пне каскадного рабочего органа обрабатываемым материалом практически не П| исходит. Результаты эксперимента плужных каналокопателей КК-0,3 и КЗУ-0, показали, что уменьшение усилия копания составило 42,4% при влажности грунтг = 5% и 36,5% при № = 10%. При этом рост производительности труда составл: соответственно 28,5% при = 5% и 39,6% при V/ = 10%. Следует отметить, что к кадный рабочий орган является сменным, так как при влажности грунта \у= 20°/ более наблюдается тенденция снижения производительности и увеличения усил копания вследствие залипания грунта на рабочий орган.

В таблице 2 приведены основные показатели работы каскадного КК-0,1 обычного КЗУ-0,ЗВ каналокопателей.

2. Основные показатели работы каналокопателей КЗУ-0,ЗВ и КК-0,3

§1 1 X § I \ чг * ¥ ё 1 1 Н 1 1 1 [¡раазбйди-/пелмость Яг, Усилия /СМ тя F) /гй я/я ¿лаж-яасюа О, у.

1 1 1 5 Я 20 5 10

кщзв 0,3 ¥ ы 42 & & 10 ДГ

/(Из 0,5 0,4 2,4 & 7,3 № А

Из таблицы видно, что осыпание грунта у КЗУ-0,ЗВ превышает агроте> ческие требования.

Оценка качества работы проводилась методикой, основанных по бальной системе с применением методов теорий вероятности и программы на ПЭВМ.

Разработанная математическая модель по обоснованию оптимальных параметров и режимов работы каскадного каналокопателя позволяет повысить производительность каналокопателя и снизить удельные энергозатраты на единицу объема работ.

Критерию минимума удельных энергозатрат En—> min соответствует скорость движения Vopt, при которой достигается экономия топлива, что вндно из ри-суика 8.

Экономический эффект от внедрения новой машины определяется по повышению производительности и экономии приведенных затрат и топлива. Часовая производительность для базовой машины составит 1,7 пог.км/час, а для нового каналокопателя 2,4 пог.км/час, что выше на 42,4 %. При этом экономия топлива достигает 0,96 кг/пог.км. Годовой экономический эффект от внедрения в производство

38

зе

3* 32

за

----- —

д

/

Кг

Ofi

0,7 Oß 0,5 0,4

25

15 5

О.в

i,G 2,0 2/f 2, в Zfl. I/ V/c

Рис.8 Зависимости En, S., от скорости движения каскадного каналокопателя КК-0,3

одной машины и оптимизации параметров и режимов их работы составит 2460 лей в ценах 1990 года. Для всей площади посевов риса и площадей возделыв бахчевых Кызылординской области экономический эффект составит 83880 рубл<

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Прокладка временных оросительных и осушительных сетей в Казахе имеет важное значение. При этом до 90% всех оросителей прокладываются п ными каналокопателями, что свидетельствует об актуальности проблемы повыш эффективности использования и совершенствования их конструкции по Крите) ресурсосбережения.

2. Установлено, что основные природно-производственные факте влияющие на работу плужных каналокопателей (площади чеков, карт, влажне твердость, объемный вес грунта и почвы, удельные сопротивления копанию и имеют вероятностный характер изменения и для них экспериментально определ основные числовые характеристики, включая математические ожидания, сре, квадратические отклонения и коэффициенты вариации.

3. Решение поставленных в диссертации задач осуществились методами зического моделирования в лабораторных условиях с применением многофактор и однофакторных экспериментов.

4. Установлена зависимость производительности и тягового сопротивл< канавокопателя от влажности грунта, определена граница залипания рабочего с на.

5. Для снижения тягового сопротивления предлагается конструкция сме: го каскадного рабочего органа, что позволяет увеличить рост производитель^ труда на 25—30% . При этом проведенные исследования подтвердшш-сяиженш гового сопротивления на 20...24% по сравнению с плужным каналокопателем Ь 0,3В.

6. На основе системного подхода по критериям ресурсосбережения обоснованы оптимальные режимы работ каскадного каналокопателя. Максимуму производительности соответствует скорость движения и = 1,8 км/ч, при этом энергозатраты снизились с 13,8 кВт/м3 до 9,6 кВт/м3.

7. Для обоснования параметров каскадного рабочего органа и оптимизация режима работы каскадного каналокопателя разработаны программы на ЭВМ.

8. Экономический эффект от внедрения в производство одной машины составит 2460 рублей в ценах 1990 года. В масштабе Кызылординской области экономический эффект равен 83880 руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих статьях:

1. Плужные каналокопатели с интенсифицирующей отвальной поверхностью. Тез.докл.научно-техн.конф.МГУП. М.:1997 - с.48

2. Условия и особенности проведения опытов на лабораторном стенде с плужным каналокопателем каскадной (ступенчатой) отвальной поверхностью. Ж. "Мелиорация и водное хозяйство"

3. Технологические способы уменьшения тягового сопротивления плужного каналокопателя. Сб. "Депонированные научные работы", вьт.5, рег.№7762-Ка97.КазГосИНТИ,Алматы, 1997