автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы орудия для поверхностной обработки почвы на склоне

На правах рукописи

"7

ТЯГІКИН Андрей Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОРУДИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНЕ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Саранск 2013

005534464

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. I I. П. Огарева»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

кандидат технических наук доцент Седашкиц Александр Николаевич

Успенский Иван Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский агротехнологи-ческий университет им. П. А. Костычсва», зав. кафедрой автомобилей и автомобильного хозяйства

Купришкин Владимир Федорович,

кандидат технических наук, доцент, «Мордовский государственный университет им. Н. I I. Огарёва», кафедра основ конструирования механизмов машин ФГБОУ ВПО

Ведущая организация: П1У Мордовский научно-

исследовательский институт сельского хозяйства Росссльхозакадемии

Защита состоится октября 2013 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.117.06 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. II. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. I I. П. Огарева».

Автореферат разослан «24» сентября 2013 г. и размещен на официальных сайтах и Минобрнауки РФ http://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. II. П. Огарёва» 1]Щ)://\у>уw-mrsu.ru

«24» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

¿У

Величко С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в нашей стране более 55 % пашни находится на склонах различной крутизны. Существующие технологические средства не обеспечивают формирования достаточно полного комплекса почвозащитных агротехнических мероприятий для возделывания сельскохозяйственных культур на склонах в условиях водной эрозии почв.

Выпускаемые промышленностью почвообрабатывающие орудия практически одинаковы для всех зон и не в состоянии учитывать большую степень зональных особенностей ведения земледелия.

До настоящего времени предпосевная подготовка почвы, как на ровных участках, так и на склонах, осуществляется одними и теми же почвообрабатывающими орудиями. Однако предпосевная обработка почвы на склонах имеет свои особенности, что необходимо учитывать при проведении данной операции.

В соответствии с правилами механизированных работ обработка склонов в обязательном порядке должна осуществляться поперек склона. Однако на склонах часто встречаются неровности в виде ложбин. В результате выпадения осадков на таких склонах вода стекает по бороздкам, сделанным поперек склона, и собирается в ложбинах. Поперечная стенка бороздки, не выдержав напора воды, прорывается, образуя ручейки, что приводит к образованию водной эрозии. Для защиты почвы от эрозии осенью на зяби часто проделывают микронеровности, выравнивание которых при предпосевной подготовке почвы проводится за несколько проходов агрегата с целью снижения расходов топлива, трудоемкости и энергозатрат.

Поэтому изыскание новых технологических приемов и создание специализированных орудий с поперечным колебательным движением рабочих органов для предпосевной подготовки почвы к посеву на склонах является актуальным и имеет важное хозяйственное значение.

Степень разработанности темы. Многолетние исследования, проведенные в ВИМе, показали, что колебательные движения рабочего органа являются вполне реальным средством интенсификации всех процессов обработки почвы, позволяющих значительно снизить энергоемкость и повысить эффективность работы таких машин. Колебательные движения подразделяются на продольные и поперечные.

В многочисленные опыты и теоретические исследования внесли вклад отечественные и зарубежные ученые: академики И. И. Артоболевский, М. Н. Летошнев, Н. Д. Лучинский, В. А. Желиговский, Г.М.Василенко, М. Е. Маценуро, доктора технических наук Д. Д. Барках, А. Н. Гурков, А.А.Дубровский, Г. Н. Синеоков, О. В. Верняев, П. Я. Котиков. В основном рассматривались только продольные колебания почвообрабатывающих орудий, то есть колебания, совпадающие с направлением поступательного движения.

Проведенные нами исследования посвящены теоретическому исследованию и расчету поперечных колебаний рабочего органа, выявлению причин, при

которых поперечные колебания могут быть использованы в производственных процессах обработки почвы на склонах.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Института механики и энергетики ФБГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», отвечающей приоритетным научным работам университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).

Цель исследования - повышение эффективности процесса предпосевной подготовки почвы на мелкоконтурных полях, расположенных на склоне, путем обоснования параметров и режимов работы специализированного орудия с колебательным движением рабочих органов.

Объект исследования - технологический процесс предпосевной обработки почвы па склоне орудием с поперечным колебательным движением рабочих органов.

Предмет исследования - параметры и режимы работы орудия с колебательным движением рабочих органов на склоне.

Научная новизна:

- сформулированы и обоснованы теоретические предпосылки влияния конструктивно-технологических характеристик поперечных колебаний на агротехнические и энергетические показатели процесса рыхления и выравнивания почвы на склоне, получены их аналитические зависимости;

- конструктивно-технологическая схема орудия для предпосевной обработки почвы на склоне с колебательным движением рабочих органов;

-уточнённые уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость _ поперечных колебаний с конструктивными кинематическими параметрами и качеством обработки почвы;

- методика для расчёта оптимальных параметров и режимов работы орудия по заданному состоянию почвы и агротехническим требованиям.

Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель РФ № 104010 («Почвообрабатывающее орудие для заделки минеральных удобрений» от 23.11.2010 г.).

Теоретическая и практическая значимость работы:

-значимость для теории представляет уточненная методика инженерного расчета основных параметров орудия с поперечными колебаниями рабочих органов для предпосевной подготовки почвы на склоне;

- для практики ценным является определение оптимальных параметров конструктивно-технологических характеристик поперечных колебаний для предпосевной подготовки почвы на склоне.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать экспериментальное орудие для предпосевной подготовки почвы на склонах, которое позволило повысить качество выполнения технологического процесса, что обеспечит повышение урожайности сельскохозяйственных культур.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования работы орудия с колебательными рабочими органами для предпосевной подготовки почвы на склонах выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, методов теории планирования эксперимента, оптимизации и статистики.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых и частных методик, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. При этом использовались агротехнические требования для поверхностной обработки почвы, действующие ГОСТы и ОСТы, методики на испытание сельскохозяйственной техники. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием методов математической статистики на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- обобщенная методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров орудия с поперечными колебаниями рабочих органов для предпосевной подготовки почвы на склоне;

- уточненные математические модели в виде уравнений регрессии, устанавливающие связи поперечных колебаний с конструктивными, кинематическими параметрами и качеством обработки почвы;

- конструкция орудия с колебательным движением рабочих органов для работы на склоне, обеспечивающая высокие агротехнические показатели работы с малой металлоемкостью и затратами энергии;

- сравнительные результаты качества работы различных орудий для предпосевной подготовки почвы на склоне.

Степень достоверности результатов. Теория согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Для экспериментальных исследований использовано сертифицированное оборудование, прошедшее обязательную ежегодную поверку (измерительный комплекс, влагомер, тензодатчики и др.)

При обработке результатов экспериментов использовано лицензионное программное обеспечение для ПЭВМ. Для определения достоверности полученных результатов, значимости коэффициентов уравнений и адекватности полученных математических моделей использованы критерия Кохрена, Стьюден-та и Фишера.

Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены на Огаревских чтениях Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2006-2013 гг.); на Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П.Огарева (г. Саранск, 2011 г.); на расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин МГУ им. Н. П. Огарева; на Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития ЛПК» (г. Уфа, 2013 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получен патент на полезную модель «Почвообрабатывающее орудие для заделки минеральных удобрений» (Патент № 104010).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков, 13 таблиц, 127 литературных источников и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и ее практическое значение, сформулирована цель работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ обработки почвы по типам агроландшафтов, приведена почвозащитная роль агротехники при возделывании сельскохозяйственных культур на склоне, дан обзор и анализ орудий с активными рабочими органами для предпосевной подготовки почвы. Эти исследования охватывают многие вопросы действия вынужденных колебаний на разрушение сельскохозяйственных материалов, особенно почвы. Вместе с тем, отсутствуют способы и средства механизации для обработки склоновых почв рабочими органами, при которых поперечные колебания могут быть использованы в производственных процессах обработки почвы на склонах.

Выпускаемые промышленностью почвообрабатывающие орудия практически одинаковы для всех зон и не учитывают зональные особенности ведения земледелия. Поэтому при разработке и совершенствовании современных систем земледелия необходимо прежде всего применять агроландшафтный подход. Следовательно, зональным системам земледелия и технологиям должны соответствовать зональные системы машин и орудий.

При изыскании принципиальной схемы орудия особое внимание уделялось качеству рыхления и выравнивания почвы рабочими органами орудия. Анализ работы рассмотренных машин показал, что удельная масса транспортируемой почвы у орудий с колебательным движением рабочих органов выше, чем у орудий с пассивными рабочими органами. Автономность движения активных рабочих органов даёт возможность проектировать такие агрегаты, у которых технологический процесс и транспортировка всех масс агрегата при обработке почвы может осуществляться разновременно.

Орудия с колебательными рабочими органами составляют самостоятельный класс специальных почвообрабатывающих машин. Однако такие орудия не нашли еще достаточного освещения специально для предпосевной подготовки почвы на склонах и требуют проведения широких теоретических и экспериментальных исследований. Поэтому создание специализированных орудий для работы на склонах, позволяющих повысить качество предпосевной обработки почвы, улучшить условия труда и безопасность работы механизаторов, остается одной из важнейших задач.

В соответствии с целью исследования нами предусмотрено решение следующих основных задач:

1) дать теоретическое описание технологического процесса обработки почвы в целях установления оптимальных параметров и режимов работы почвообрабатывающего орудия на склоне;

2) разработать конструкцию энергосберегающего почвообрабатывающего орудия с колебательным движением рабочих органов, обеспечивающего качественные показатели работы на склоне;

3) изучить влияние основных параметров и режимов работы орудия на качество предпосевной подготовки почвы на склоне;

4) установить оптимальные технологические и конструктивные параметры и режимы работы почвообрабатывающего орудия, при которых обеспечиваются высокие агротехнические показатели;

5) дать сравнительную оценку качества работы экспериментального орудия с базовыми орудиями при предпосевной подготовке почвы на склонах.

Во пторой главе «Теоретические исследования по обоснованию основных параметров и режимов работы орудия для поверхностной обработки почвы на склоне» приведены результаты основных кинематических и конструктивных параметров, определены режимы работы орудия при обработке почвы на склонах, а также воздействие рабочего органа на почву при её транспортировке в искусственные микронеровности; водоудерживающая способность следа рабочего органа на склоне; получены силовые и энергетические показатели работы агрегата.

До настоящего времени предпосевная подготовка почвы, как на ровных участках, так и на склонах, осуществляется одними и теми же почвообрабатывающими орудиями. Однако предпосевная обработка почвы на склонах имеет свои особенности, что необходимо учитывать при проведении данной операции.

В соответствии с правилами механизированных работ с целью предотвращения развития водной эрозии предпосевная обработка почвы в обязательном порядке должна осуществляться за два прохода. Первая обработка проводится вдоль склона для выравнивания зяблевой вспашки, вторая - поперек, для защиты почвы от эрозии. Однако часто на склонах встречаются неровности в виде ложбин. В результате выпадения осадков на таких склонах вода стекает по бороздкам, сделанным поперек склона, и собирается в этих ложбинах. Стенки борозды не выдерживают напора воды, прорываются, и в результате вода образует ручейки. Воздействие ручейков приводит к образованию размывов и рытвин. Следовательно, на таких склонах необходимо применение специальных орудий, рабочие органы которых оставляют бороздки, способствующие снижению скорости водного потока. Такой траекторией может быть бороздка в виде синусоиды. Это объясняется тем, что при движении воды по данной траектории удлиняется ее путь, следовательно, улучшается впитываемость, а угол отклонения стока гасит скорость водного потока, тем самым уменьшается его сила действия на стенку борозды. Силу действия водного потока на стенку борозды

можно представить в виде синусоиды (рис. 1) и выразить следующей зависимостью:

R = tpFv2'zP> (1)

1

где R- сила действия водного потока, Н; р - плотность стенки борозды, кг/м ; F - площадь сечения струи, м2; v - скорость водного потока, м/с; /? - угол отклонения стока, град.

Из выражения (1) видно, что на силу действия водного потока оказывают влияние как свойства почвы, так и кинематические параметры водного потока. Одним из основных параметров, влияющих на действие потока, является угол отклонения р.

Из рис. 1 определяем угол отклонения стока воды при движении по следу траектории рабочего органа:

Л h ч

Р = arctg (-—-) (2)

2 a sin ' к J

где h - глубина бороздки, м; ал -угол склона, град; а - отклонение траектории от оси движения, м.

Для получения рациональных параметров траектории движения водного потока на склоне с определенной водоудерживающей способностью необходимо обосновать закон движения рабочих органов орудия.

Анализ литературных источников показал, что траекторию движения рабочих органов в виде синусоиды можно получить, используя приводы различной конструкции. Нами использован привод с эксцентричным маховиком как наиболее простой по устройству и менее энергоемкий, так как энергия такого привода расходуется только на разгон маховика и на преодоление сил сопротивления почвы и трения. Кинематическая схема такого привода показана на рис. 2. Для определения закона движения рабочих органов данного привода необходимо определить их перемещение (рис. 3).

Полное перемещение рабочих органов определяется как:

xp=-acoswt (3)

Из рис. 3 видно, что приводной шатун с рабочими органами совершает угловые колебания вокруг точки Вх и одновременно движется поступательно вместе с агрегатом.

Уравнение движения рабочего органа записывается следующим образом: X - Umi + «cos ox; y = r-sinan,

где г— радиус кривошипа привода граблин с рабочими органами, м; cot- угол отклонения радиуса кривошипа движения.

Траектория движения рабочего органа

Рисунок 1. Схема к определению угла отклонения стока воды

Рисунок 2. Кинематическая схема привода рабочих органов: 1 - вал; 2, 4 - шарнирная муфта; 3 - маховик с эксцентриком; 5 - качающаяся вилка; 6, 11 - шатун; 7 - приводной шатун; 8 - задний брус; 9 - передний брус; 10, 12 - рабочие органы

Для определения траектории рабочего органа в уравнении (4) скорость поступательного движения выразим через угловую, воспользовавшись тем, что

(Ür-COSCÜt

U„ '

тогда систему (4) можно записать так:

X = rcoscot(-j+]); (5)

y = r-sinúJt.

Чтобы найти уравнение траектории в явной форме, следует из уравнения (5) исключить время t.

Поставив полученное значение в уравнение (4), найдем закон движения рабочего органа

. у arcsin—

X = r[cos(arcsin—)](———— +1) (6)

г Я

или, в функцию угла бокового отклонения рабочего органа, закон движения рабочего органа запишется, как

х = reos <р$-+Х) _ А

Как видно из уравнения (6), траектория движения рабочего органа описывается синусоидальной функции времени. Таким образом, данный привод можно использовать при проектировании специальных орудий с колебательным движением рабочих органов для обработки почвы на склонах.

При обосновании основных конструктивных параметров использовалась зависимость между качеством обработки почвы и конструктивными параметрами орудия, которая определяется как коэффициент фронтальной плотности. С учетом отношения скоростей рабочих органов и агрегата эта зависимость для орудий с колебательным движением рабочих органов будет иметь следующий вид:

К (7)

"р

где К'п - коэффициент фронтальной плотности; тг.о - число рабочих органов, шт.; ®г.о. - ширина захвата рабочего органа, м; Вор - ширина захвата орудия, м; Л'- кинематический параметр, равный отношению скорости рабочих органов к поступательной скорости агрегата.

При проектировании орудия исходили из того, чтобы коэффициент фронтальной плотности экспериментального орудия был не хуже, чем у аналогичных орудий с пассивными рабочими органами. Как видно из выражения (7), для предлагаемого орудия значение К'„ можно регулировать изменением кинематического параметра Я'. С учетом данных параметров определяем число рабочих органов орудия:

К' В.

и расстояние между ними:

Ja m„

Объём перемещаемой почвы рабочим органом орудия определяется из следующего выражения:

■Є-h,,0 -ЬР

(10)

где / - длина пути рабочего органа при перемещении почвы в неровности, м; Лла - глубина обработки, м.

Длина пути рабочего органа при повороте эксцентрика на 180° с учетом относительного и переносного движения будет равна:

1 = 2

^ Ul +р1 sin2 xdx=

/73 J

со

1+

асо V,

2-4

асо V,

1-3-5

22-42-б2

асо

V,

(11)

Скорость рабочего органа в каждый момент времени ' геометрически

складывается из v* и

где

скорость движения агрегата, а и,- скорость

движения рабочего органа. Из выражения (4) видно, что скорость рабочего органа изменяется от 0 до шах. Так как в наших исследованиях скорость рабочего органа меняется от 0 до max в произвольный момент времени, то необходимо определить усредненное значение скорости vtp. Усредненное значение скорости можно определить как центр тяжести описываемой рабочим органом плоской фигуры, ограниченной четвертью периода синусоиды. Учитывая, что при максимальной амплитуде скорость рабочего органа будет максимальной, после интегрирования в заданных пределах получим:

=0,39- 0,4

Среднемаксимальную силу резания и разрушения почвенного пласта одним рабочим органом при V,P, близкой к нулю, можно рассматривать состоящей из трех частей. Одна из них служит для преодоления сопротивления

почвы на передней грани, две другие по боковым сторонам (рис. 4).

Рр.и ~ + Рбок + Р6»к.ср >

где — сила сопротивления смятию лобовой гранью, Н; - сила сопротивления разрушению пласта боковой поверхностью, Н; р-сила бокового среза, Н.

Общие затраты мощности на производимую работу складываются из суммы затрат на тяговое сопротивление орудия и привод ра-

Рисунок 4. Схема сил, действующих на рабочий орган

бочих органов:

N = PTv„+MKpco,

где N - общие затраты мощности, кВт; рт - тяговое сопротивление орудия, Н; ыи - поступательная скорость, м/с; ш - частота колебаний рабочих органов, Гц.

Удельная мощность или мощность, затрачиваемая на единицу ширины захвата орудия, определяется делением полной мощности на рабочую ширину орудия:

• В„р Вор '

На основании проведенных теоретических исследований нами разработано экспериментальное орудие с колебательным движением рабочих органов для предпосевной подготовки почвы на склонах.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведена программа исследования, описаны используемые методики и применяемое оборудование.

Лабораторные исследования проведены для установления характера взаимодействия рабочих органов орудия с почвой и степени влияния конструктивных параметров и режимов работы на энергетические показатели. Для осуществления указанных экспериментов был создан почвенный канал и разработана лабораторная установка, подготовлены комплекты рабочих органов и контрольно-измерительный комплекс.

У\ Для исследования ра-

боты орудия с колебательным движением рабочих органов в полевых условиях была создана лабораторно-полевая установка (рис. 5). Лабораторно-полевая установка состоит из рамы 1, навесного устройства 2, редуктора 3, на ведущем валу которого жестко закреплен маховик 4 с муфтой 5. К раме 1 закреплены опорные колеса 6 и балка 7. На рейке 8 закреплены передний 9 и задний 10 брусья. На переднем брусе 9 устанавливаются рабочие органы для рыхления 11. На заднем брусе 10 установлены рабочие органы 12 для выравнивания почвы.

При проведении экспериментальных исследований расстояние между параллельными брусьями изменяли с помощью винтов, а расстояние между рабочими органами путем их снятия или установки. Частота колебаний рабочих органов изменяется с помощью редуктора 3. Экспериментальная установка выполнена в навесном варианте и агрегатируется с тракторами класса 1,4.

Для определения водоудерживающей способности бороздки от следа рабочего органа на склоне нами была изготовлена лабораторная стоковая площадка (рис. 6).

Рисунок 5. Лабораторно-полевая установка

С помощью лаборатор-но-стоковой площадки определяли влияние смыва почвы от угла склона и интенсивности дождя. Лабораторно-стоковая площадка состоит из опрыскивателя 1, дождевальной установки 2, парных стоковых площадок 3, расходомера 4, прибора для определения угла склона 5.

Показатели лаборатор-но-полевых испытаний определялись согласно ГОСТа 20915-75 «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний». СТО АИСТ 4.2-2004 «Испытание сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы».

Обработку экспериментальных данных осуществляли на ПК с помощью пакетов прикладных программ LabVIEW7.0, Pareto и Excel 2003.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены основные результаты лабораторных и полевых исследований, технико-экономические показатели от применения экспериментального орудия при предпосевной подготовке почвы на склонах.

Лабораторно-полсвые эксперименты показали способность предложенного орудия выполнять технологические процессы и целесообразность его использования для поверхностной обработки почвы на склонах. Эффективность работы орудия оценивалась как отношение достигнутого качества обработки (согласно агротехническим требованиям) к необходимым для этого затратам энергии.

Одним из агротехнических показателей качества работы орудия для предпосевной подготовки почвы является коэффициент рыхления Кр. Зависимость выхода агрономически ценных комков (0,25-10 мм) от частоты колебаний рабочих органов в слое почвы 0-50 мм и 50-100 мм изображена на рис. 7.

Из графика видно, что с увеличением частоты колебаний выход агрономически ценных комков возрастает rio всей глубине рыхлеиия. Так, при увеличении частоты колебаний от 3 до 14 Гц и скорости движения агрегата v.«= 0,8 м/с выход агрономически ценных комков возрастает на 51,6 %. Исследованиями было установлено, что при минимальной частоте колебаний °> = 3 Гц орудие не создаст вибрационного воздействия на почву, и качество рыхления ухудшается.

Увеличение частоты колебаний рабочих органов с 14-16 Гц не приводит к увеличению коэффициента рыхления. Это связано с тем, что площадь, подлежащая обработке, будет делиться на две зоны: зону с интенсивным

Рисунок 6. Лабораторная стоковая площадка: 1 - земляной буртик; 2 - стоковая площадка; 3 - трубы дождевателя; 4 - стойка; 5 - водосборный лоток; 6 - мерная емкость; 7 - распределитель; 8 - ОВС-1В

0.3

л — __

/У г

/ У

/

10

12 И

I I I И - слон почни 0...50 мм Гтеор>

ШНИ — слой почвы 0...50 мм (тиср) Ф Ф Ф ♦ — слой почвы 50...НЮ мм (тсор) ♦ ♦ Ф Ф — слойночвы 50... 100 мм (эштср) Рисунок 7. Зависимость выхода агрономически ценных комков от частоты колебаний

крошением почвы за счет большой скорости удара и непроработанную зону.

Как показали полевые исследования, высокая частота колебаний рабочих органов может привести к увеличению допустимых агротехнических показателей по коэффициенту распыленности почвы (Крас> 5 о/оу

Анализируя характер изменения коэффициента распыленности от частоты колебаний после прохода агрегата, можно отметить, что распыленность почвы возрастает с увеличением частоты колебаний (рис. 8). Так, при частоте колебаний 16,0 Гц коэффициент распыленности превышает агрономически допустимое значение (кгас> 5 %у

Из графика видно, что максимальной частотой колебаний рабочих органов может быть частота ш = 14 Гц, так как при этих значениях коэффициент распыленности не превышает 5 %. Далее качество выполнения технологического процесса обработки почвы экспериментального орудия оценивалось коэффициентом выравнивания Коэффициент выравнивания характеризует эффективность работы орудия с точки зрения уменьшения неровностей поверхности поля.

При увеличении частоты колебаний в пределах 3,0... 16,0 Гц коэффициент выравнивания изменяется от 0,54 до 0,79. Дальнейшее увеличение частоты колебаний не приводит к интенсивному выравниванию, при этом увеличиваются затраты энергии. Работа орудия соответствует агротехническим требованиям по выравненное™ поверхности при частоте колебаний рабочих органов в пределах <° = 13-14 Гц. При данном режиме работы действительная средняя высота неровностей меньше допустимой, установленной агротехническими требованиями.

¡Влияние частоты колебаний на агротехнические показатели подробно представлено в диссертационной работе.

к

/ / ;

/ ' У/ //

У

Л

о

мн

10 12 14 16 18 сдой почий 0...50 мм (гсор)

Ш~т МНИ — слой почвы 0...50 мм (т'пер) Ф Ф Ф Ф — слой почвы 50... 100 мм (теор) ♦ Ф Ф — слой почвы 50...1Ш мм (экспер) Рисунок 8. Влияние частоты колебаний на распыленность

1"____3

1 г-'""' г—

А г

о <5 S 10 12 14 Ifl !8 w, Гц И-Ш-НЕНН — cjioii иочны 0...50 мм о сор) Ш~Ш Шг-Ш — слой почвы О...50 мм (жспср) ♦ ♦ ♦—♦ — слой тючпм 50... 100 мм (reoр) ♦—♦ ♦—♦ — ело» по'ты 50... НИ) мм (жспср) Рисунок 9. Влияние частоты колебаний на коэффициент выравнивания (фон - зяблевая вспашка)

Для оптимизации режимов работы орудия при предпосевной обработке почвы на склоне нами были составлены уравнения регрессии и проведен их анализ.

По результатам полевых опытов на ПЭВМ была рассчитана пошаговая множественная регрессия зависимости переменных (К от скорости дви-

жения Ч/, частоты колебаний т и их сочетания. Выведены уравнения регрессии, описывающие поверхности отклика агротехнических показателей.

Рыхление почвы (фон — зяблевая вспашка):

X = 0,623 + 0,12Ц + 0,04х, -0,037х,2 + 0,029х| х, + 0,013х? Выравнивание почвы (фон - зяблевая вспашка):

у'2 =0,591 + 0,067х, + 0,030х, -0,044х2 + 0,020х, х, - 0,01х; . Табличное значение критерия Фишера для 1 %-ного уровня значимости равно 2,7, что больше расчетного значения критерия (Лип =2,7=0,079) Следовательно, с учетом статистически независимых факторов гипотеза об адекватности полученной модели принимается. Значимость коэффициентов регрессии и их сочетания определялись аналогично и для других агротехнических показателей.

Для определения координат оптимума необходимо преобразовать математические модели к каноническому виду и построить двумерные сечения. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее показатель рыхления почвы в зависимости от частоты колебаний (х:), строим при постоянных значениях скорости движения (рис. 10). В результате имеем:

у] = 0,601 + 0,053х, + 0,041х, -0,035х[+0,630х, х2+0,013x5 Дифференцированием уравнения определяем координаты центра поверхности отклика и, решая далее уравнения, получим уравнение контурных кривых показателя рыхления.

Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость выравнивания поверхности поля от частоты колебаний и поступательной скорости агрегата, показано на рис. 11.

_у2 = 0,730 + 0,0б7х,+0,031х, -0,032х,2-0,021x5+0,01х, х,. Графические зависимости показывают, что выравнивание поверхности поля в значительной степени зависит от режимов работы орудия.

S 1U U 14 10 IÄ JU w. 1Ц

Рисуиок 10. Двумерное сечение коэффициента рыхления Yt

6 К I Q 12 14 16 1« 21) w. Гп Рисунок 11. Двумерное сечение коэффициента выравнивания У,

Решая уравнение регрессии аналогично, нами получены результаты двумерных сечений для остальных случаев.

Так как при обработке почвы экспериментальным орудием решаются две основные задачи - рыхление и выравнивание поверхности поля, то возникает необходимость проанализировать два критерия оптимизации совместно, то есть найти компромисс между рыхлением и выравниванием почвы.

Решение компромиссных задач производим с помощью двумерных сечений. Построение двумерных сечений производим одновременно, и линии равных уровней для обоих критериев наносим на один чертеж. Для критерия оптимизации - коэффициента выравнивания - минимальное значение ограничивается допустимым значением по выравненное™ поверхности поля, а для коэффициента рыхления наибольшее значение - это распыленность почвы.

Графическое решение компромиссных задач (фон - зяблевая вспашка) представлено на рис. 12.

Анализ приведенных двумерных сечений показывает, что с повышением рыхления почвы выравнивание поверхности улучшается. Однако режимами работы орудия следует считать те, которые обеспечивают рыхление почвы, допустимое по распыленности и выравниванию поверхности поля.

Экспериментальные исследования показали, что все принятые факторы влияют на энергетические параметры орудия.

Снижение тягового сопротивления наблюдается при увеличении частоты колебаний от 7,5 Гц до 16,0 Гц. При изменении плотности почвы в пределах 0,9...1,3 т/м3 продольное усилие на рабочий орган резко увеличивается. При повышении скорости дви-

12 М 16 18 20 м, Гн коэффициент рыхления коэффициент выравнивания

Рисунок 12. Двумерное сечение зависимости коэффициента рыхления у/ и выравнивания у2 от частоты колебаний со

Рпг,Н

НІН — аг илижносі'н почвы вв®® — от плотности почвы Рисунок 13. Усилия на рабочий орган от условий работы орудия

жения агрегата от 1,1 до 3,0 м/с продольное усилие на рабочий орган возрастает от 68,0 Н до 110,5 II (рис. 13).

При увеличении влажности почвы от 12 % до 18 % продольное усилие на рабочий орган изменяется от 130,4 II до 115,2 Н. Аналогичные зависимости получены и при других исходных данных. Из анализа зависимости продольного усилия на рабочий орган от режимов и условий работы следует, что на тяговое сопротивление существенное влияние оказывают частота колебаний, скорость движения, влажность и плотность почвы.

При увеличении влажности почвы от 12 % до 18 % продольное усилие на рабочий орган изменяется от 130,4 Н до 115,2 Н. Аналогичные зависимости получены и при других исходных данных. Из анализа зависимости продольного усилия на рабочий орган от режимов и условий работы следует, что на тяговое сопротивление существенное влияние оказывают частота колебаний, скорость движения, влажность и плотность почвы.

Для проверки и уточнения теоретических предпосылок возможности работы экспериментального орудия вдоль склона нами проводились экспериментальные исследования с помощью искусственного дождевания.

На основании экспериментальных данных построен график зависимости смыва почвы от угла склона при различных значениях угла отклонения стока водного потока (рис. 14).

Как видно из графика (рис. 14) с увеличением угла склона смыв почвы возрастает во всех случаях. Однако с уменьшением угла Р и с возрастанием угла склона смыв становится интенсивнее. Это связано с тем, что при малых значениях угла Р стенки бороздки траектории находятся на очень близком расстоянии друг от друга, и, не выдержав напора воды, прорываются, образуя ручейки.

Исследования показали, что при крутизне склона 9° оптимальным углом отклонения стока будет 30-40°. Увеличение угла /?>45° приводит к

q

кг/

0,04

0.03

0.02

0,01

P-I5" \ / /

/ У

у ¡мо1'

О 3 4 5 8 а, р"

Рисунок 14. Зависимость смыва почвы от угла склона при различных значениях угла/?

увеличению скорости водного потока и интенсивному смыву почвы.

В пятом разделе приводится технико-экономический расчет, показывающий, что за счет уменьшения количества проходов агрегата при предпосевной обработке почвы на склоне снижаются трудоемкость механизированных работ и приведенные затраты на единицу выработки.

Использование предлагаемого орудия для предпосевной обработки почвы на склонах даст возможность получить годовой экономический эффект в сумме 59661 руб/га, в сравнении с базовыми машинами для равнинного земледелия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Получены аналитические зависимости степени крошения почвенного пласта от параметров, характеризующих конструкцию и режим работы орудия, которые служат целевой функцией оптимизации качества работы агрегата на склонах.

2. Разработано почвообрабатывающее орудие, рабочие органы которого совершают в почве колебания, для чего ему сообщается возвратно-поступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения базового трактора, что позволяет поддерживать постоянный контакт рабочего органа с почвой.

3. Экспериментально установлено, что разработанное почвообрабатывающие орудие обеспечивает при предпосевной подготовке почвы рыхление на 68-70 %, выравнивание поверхности поля до кв = 0,65...0,68, усадку почвы до 2,5 см, плотность почвы до 1,120 кг/м3 при оптимальных конструктивных параметрах орудия, которые равны для межзубового расстояния 160 мм, а расстояния между планками - 480 мм.

4. Рекомендуются следующие оптимальные режимы работы экспериментального орудия: на зяби весной при влажности почвы \У= 11,0...12,0 % частота колебаний рабочих органов 12,0... 14,0 Гц; для зяби с искусственными мик-ронсровностями на склоне при влажности почвы 16. ..18,0 % частота колебаний должна быть 14,0... 16,0 Гц, при поступательной скорости агрегата 1,5... 1,7 м/с.

5. Использование орудия для предпосевной подготовки почвы на склонах, в сравнении с базовой, снижает затраты труда на 20 %, уменьшает смыв почвы со склона в 1,3 раза. Годовой экономический эффект от применения орудия составляет 59661 руб/га.

Данное орудие рекомендуется как в качестве самостоятельного орудия для предпосевной подготовки почвы, так и в системе комбинированных агрегатов.

Основные публикации по теме диссертации.

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Тяпкин А. Н. Орудие с активными рабочими органами / А. Н. Тяпкин, А. Н. Седашкин, А. М. Ленькин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2010.- №6- С. 10-11.

2. Тяпкин Л. Н. Комбинированный агрегат работает на склоне / А. II. Тяпкин, Л. Н. Ссдашкин, И. Н. Даськин, С. В. Червяков // Сельский механизатор. - 2010.-№ 9. - С. 14.

3. Тяпкин Л. Н. Некоторые предпосылки проектирования машинных агрегатов для работы на склонах / Л. 11. Тяпкин, А. Н. Ссдашкин, А. М. Ленькин // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. - № 10. - С. 39-40.

Статьи в других изданиях, включая труды международных и всероссийских научно-технических конференций

4. Тяпкин А. Н. Пути улучшения условий работы сельскохозяйственных агрегатов на склонах / А. Н. Тяпкин, А. Н. Ссдашкин, А. М. Ленькин // Наука и инновации в Республике Мордовия : материал VII республиканской науч,-практ. конф.; Мордов. гуманит. ин-т. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. -С. 237-240.

5. Тяпкин А. Н. Влияние частоты колебаний рабочих органов экспериментального орудия на агротехнические показатели / А. Н. Тяпкин, А. Н. Се-дашкин, А. Ю Паркин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : межвуз. сб. науч. тр. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. -С. 65-70.

6. Тяпкин А. Н. Ресурсосберегающая обработка почвы на склонах / А. Н. Тяпкин, А. Н. Ссдашкин, В. А. Овчинников И Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК : межвуз. сб. науч. тр. ; редкол.: А. В. Котин, М. Н. Чаткин [и др.]. - Саранск : Изд-во «ПРО-Движение», 2011. -С. 87-92.

Авторские свидетельства на изобретения и полезные модели

7. Пат. № 104010 Российская Федерация, АО 1В 49/06 Почвообрабатывающие орудие для обработки почвы и заделки минеральных удобрений / А. Н. Тяпкин, А. Н. Ссдашкин, А. М. Ленькин, Е. А. Седашкина; Патентообладатель ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва». - 2010147742/21, заявл. 23.И.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл.№ 13.-1 е.: ил.

Подписано н печать 19.09.13. Формат 60х84Хсг . Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1322. Издатсльстио Мордовского университета Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА»

На правах рукописи

04201363137

ТЯПКИН Андрей Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОРУДИЯ ДЛЯ ПОВЕХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНЕ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Седашкин А.Н.

I

Саранск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 11

1.1 Агроландшафтные аспекты использования склоновых земель 11

1.2 Особенности возделывания сельскохозяйственных культур

на склоне........................................................................ 17

1.3 Обзор и анализ почвообрабатывающих орудий с активными рабочими органами для поверхностной обработки почвы........... 24

1.4 Краткий обзор и анализ исследований вибрационного воздействия рабочих органов на почву................................... 39

1.5 Основные выводы и задачи исследований.......................... 45

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ

РАБОТЫ ОРУДИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНЕ...................................................... 47

2.1 Обоснование траектории движения рабочего органа............. 47

2.2 Агротехнические критерии эффективности колебательных рабочих органов............................................................... 55

2.3 Крошение комков почвы в результате удара....................... 58

2.4 Определение скорости рабочего органа для разрушения комков почвы.................................................................. 62

2.5 Рыхление почвы рабочими органами орудия....................... 65

2.6 Обоснование энергетических параметров........................... 70

2.6.1 Силы, действующие на рабочие органы..................... 71

2.6.2 Затраты мощности при работе орудия....................... 75

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................ 77

3.1 Программа экспериментальных исследований..................... 77

3.2 Экспериментальные установки и приборы для проведения работ.............................................................................. 77

3.3 Методика экспериментальных исследований....................... 83

3.3.1 Методика лабораторных исследований энергетических затрат орудия..........................................................................................................................83

3.3.2 Методика лабораторно-полевых исследований........................85

3.4 Методика обработки опытных данных..............................................................89

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И PIX АНАЛИЗ................................................................................................................................90

4.1 Влияние условий работы орудия на энергетические параметры..............................................................................................................................................90

4.2 Влияние конструктивных параметров экспериментального орудия на агротехнические показатели......................................................................92

4.3 Сравнительная оценка экспериментального орудия с базовыми орудиями для поверхностной обработки почвы......................101

4.4 Смыв почвы при различных способах поверхностной обработки склона............................................................................................................................104

4.5 Анализ уравнений регрессии......................................................................................108

4.5.1 Построение двумерных сечений..............................................................110

4.5.2 Решение компромиссных задач................................................................113

4.6 Определение энергетических затрат....................................................................114

4.6.1 Определение усилий, действующих на рабочий орган

в продольном направлении........................................................................................114

4.6.2 Затраты энергии при работе орудия....................................................117

4.7 Выравнивание поверхности почвы и глубина заделки семян... 119 Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОРУДИЯ ДЛЯ

ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНАХ..................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................126

Приложения......................................................................................................................................................139

Приложение 1....................................................................................................................................140

Приложение 2....................................................................................................................................150

Приложение 3....................................................................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что почвы склонов, сформированные в условиях пересеченного рельефа, подверженные воздействию водной эрозии, характеризуются, как правило, пониженным плодородием и нередко неблагоприятными агроэкологическими условиями для выращивания сельскохозяйственных культур. Приостановить разрушительное действие эрозии и вернуть утраченное плодородие почвы - одна из главнейших задач аграрной науки и практики. В последнее десятилетие решающее значение придается разработке и внедрению в хозяйствах новых противоэро-зионных технологий и машин [77].

Рельеф, климат, растительный и почвенный покров различных областей РФ чрезвычайно разнообразны, что обусловлено их географическим положением. С учетом условий тепло- и влагообеспеченности, а также почвенного покрова на территории РФ выделены различные почвенно-климатические зоны, которые требуют разработок современных энерго- и ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур [78].

Научно-исследовательские работы, проведенные зональными институтами Россельхозакадемии, и производственный опыт в различных зонах позволили обосновать энерго- и ресурсосберегающие технологии возделывания сельскохозяйственных культур применительно к условиям зон. Внедрение энерго- и ресурсосберегающей технологии должно проводиться дифференцированно, с учетом почвенно-климатических особенностей зон. При этом важнейшими и общими для всех зон условиями являются высокий уровень культуры земледелия, четкое выполнение технологии, проведение механизированных работ в оптимальные сроки и с отличным качеством [53; 115; 84].

Выпускаемые промышленностью почвообрабатывающие орудия практически одинаковы для всех зон и не в состоянии учитывать большую степень зональных особенностей ведения земледелия. Поэтому при разработке и совершенствовании современных систем земледелия необходимо, прежде всего, применять аг-роландшафтный подход.

Адаптивно-ландшафтная система земледелия позволяет рационально использовать землю в конкретных местных агроландшафтах с учетом экономических и материальных ресурсов региона. Следовательно, зональным системам земледелия и технологиям должны соответствовать зональные системы машин и орудий.

К числу достижений современной науки и техники, которые могут быть использованы в сельскохозяйственном машиностроении, относятся различные вибрационные и импульсные методы интенсификации технологических процессов. Существенное различие активных (колебательных) рабочих органов от пассивных заключается в том, что они могут совершать разные, как по скорости, так и по направлению, движения по отношению к центру масс агрегата. Это преимущество позволяет ставить задачи по изысканию путей роста производительности агрегатов с активными рабочими органами и уменьшения удельных энергозатрат на единицу выполненной работы [32; 62].

Актуальность темы исследования. В настоящее время в нашей стране более 55 % пашни находится на склонах различной крутизны [77]. Существующие технологические средства не обеспечивают формирование достаточно полного комплекса почвозащитных агротехнических мероприятий для возделывания сельскохозяйственных культур на склонах в условиях водной эрозии почв [114].

До настоящего времени предпосевная подготовка почвы как на ровных участках, так и на склонах осуществляется одними и теми же почвообрабатывающими орудиями. Однако предпосевная обработка почвы на склонах имеет свои особенности, что необходимо учитывать при проведении данной операции.

В соответствии с правилами механизированных работ обработка склонов в обязательном порядке должна осуществляться поперек склона. Однако на склонах часто встречаются неровности в виде ложбин. В результате выпадения осадков на таких склонах вода стекает по бороздкам, сделанным поперек склона, и собирается в этих ложбинах. Поперечная стенка бороздки, не выдержав напора воды в ложбинах, прорывается, образуя ручейки, что приводит к образованию водной эрозии. Кроме того, для защиты почвы от эрозии осенью на зяби часто проделы-

вают микронеровности, выравнивание которых при предпосевной подготовке почвы проводится за несколько проходов агрегата.

Поэтому изыскание новых технологических приемов и создание специализированных орудий для предпосевной подготовки почвы к посеву на склонах является актуальным и имеет важное хозяйственное значение.

Степень разработанности темы. Многолетние исследования, проведенные в ВИМе [32], показали, что колебательное движение рабочего органа является вполне реальным средством интенсификации всех процессов обработки почвы, позволяющих значительно снизить энергоемкость и повысить эффективность работы таких машин. В свою очередь колебательные движения подразделяются на продольные и поперечные. В многочисленных опытах и теоретических исследованиях отечественных и зарубежных ученых в основном рассматривались только продольные колебания почвообрабатывающих орудий, то есть колебания, совпадающие с направлением поступательного движения.

Если в процессе продольных колебаний совершается отрыв грани рабочего органа от обрабатываемой почвы, то при поперечных колебаниях контакт рабочей грани с необработанной средой сохраняется непрерывно и характеризуются скольжением по тому же массиву.

Проведенные нами исследования посвящены теоретическому исследованию и расчету поперечных колебаний рабочего органа, выявлению причин, при которых поперечные колебания могут быть использованы в производственных процессах обработки почвы на склонах.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Института механики и энергетики ФБГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» по теме «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», отвечающей приоритетным научным работам университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).

Цель исследования - повышение эффективности процесса предпосевной подготовки почвы на мелкоконтурных полях, расположенных на склоне, путем

обоснования параметров и режимов работы специализированного орудия с колебательным движением рабочих органов.

Объект исследования - технологический процесс предпосевной обработки почвы на склоне орудием с поперечным колебательным движением рабочих органов.

Предмет исследования - параметры и режимы работы орудия с колебательным движением рабочих органов на склоне.

Задачи исследования:

1. Дать теоретическое обоснование технологического процесса работы орудия с колебательным движением рабочих органов для обработки почвы на склонах.

2. Разработать конструкцию орудия с колебательным движением рабочих органов, обеспечивающих высокие качественные агротехнические показатели работы с малой металлоемкостью и затратами энергии для работы на склонах.

2. Обосновать технологический процесс работы данного орудия в целях установления его рациональных параметров и режимов работы.

3. Изучить влияние параметров и режимов работы на качество подготовки почвы на склонах.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований установить технологические и конструктивные параметры и режимы работы, при которых обеспечивается повышение качества работы в соответствии с агротехническими требованиями.

5. Дать сравнительную оценку работы экспериментального орудия с существующими орудиями для предпосевной подготовки почвы на склоне.

Научная новизна:

- сформулированы и обоснованы теоретические предпосылки влияния конструктивно-технологических характеристик поперечных колебаний на агротехнические и энергетические показатели процесса рыхления и выравнивания почвы на склоне, получены их аналитические зависимости;

- конструктивно-технологическая схема орудия для предпосевной обработки почвы на склоне с колебательным движением рабочих органов;

- уточнённые уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость поперечных колебаний с конструктивными кинематическими параметрами и качеством обработки почвы;

- методика для расчета рациональных параметров и режимов работы орудия по заданному состоянию почвы и агротехническим требованиям.

Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель РФ № 104010 («Почвообрабатывающее орудие для заделки минеральных удобрений» от 23.11.2010 г.).

Теоретическая и практическая значимость работы:

- значимость для теории представляет уточненная методика инженерного расчета основных параметров орудия с поперечными колебаниями рабочих органов для предпосевной подготовки почвы на склоне;

- для практики ценными являются рациональные параметры конструктивно-технологических характеристик поперечных колебаний для предпосевной подготовки почвы на склоне.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать экспериментальное орудие для предпосевной подготовки почвы на склонах, которое улучшит качество выполнения технологического процесса.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования работы орудия с колебательными рабочими органами для предпосевной подготовки почвы на склонах выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики, численных методов решения систем дифференциальных уравнений, методов теорий планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых и частных методик, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. При этом использовались агротехнические требования для поверхностной обработки почвы, действующие ГОСТы и ОСТы, методики на испытание сельскохозяйственной техники. Основ-

ные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием методов математической статистики на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- обобщенная методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров орудия с поперечными колебаниями рабочих органов для предпосевной подготовки почвы на склоне;

- уточненные математические модели в виде уравнений регрессии, устанавливающие связи поперечных колебаний с конструктивными, кинематическими параметрами и качеством обработки почвы;

- конструкция орудия с колебательным движением рабочих органов для работы на склоне, обеспечивающая высокие агротехнические показатели работы с малой металлоемкостью и затратами энергии;

- сравнительные результаты качества работы различных орудий для предпосевной подготовки почвы на склоне.

Степень достоверности результатов. Теория построена на законах классической механики, физики и математики. Для экспериментальных исследований использовано сертифицированное оборудование, прошедшее обязательную ежегодную поверку (измерительный комплекс, влагомер, тензодатчики и др.).

При обработке результатов экспериментов использовано лицензионное программное обеспечения для ПЭВМ. Для определения достоверности полученных результатов, значимости коэффициентов уравнений и адекватности полученных математических моделей использованы критерии Кохрена, Стьюдента и Фишера.

Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены на Огаревских чтениях Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2006-2013 гг.); на Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2011 г.); на расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин МГУ им. Н.П. Огарева; на Международной научно-практической конференции «Инте-

грация науки и практики как механизм эффективного развития АПК» (г. Уфа, 2013 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получен патент на полезную модель «Почвообрабатывающее орудие для заделки минеральных удобрений» (Патент № 104010).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков, 13 таблиц, 127 источников литературы и 3 прилож