автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы ротационного рабочего органа для внутрипочвенного внесения твердых органических удобрений

На правах рукописи

НАУМОВ Юрий Михайлович, ! Ь ОД

о $ 2 у опт 1333

А

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РОТАЦИОННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ВНУТРИПОЧВЕШЮГО ВНЕСЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чс.чяопнск - 1999

Работа выполнена па кафедре "Эксплуатация машинно-тракторного парка" Челябинского государственного агроинженерного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.П. Дорохов

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент М.В. Запевалов

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и

техники РФ, доктор технических наук, профессор P.C. Рахимов

кандидат технических наук, с.н.с. В.Д. Топчиенко

Ведущее предприятие - Челябинский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита состоится " 17 " июня 1999 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета К 120.46.01 Челябинского, государственного агроинженерного университета по адресу. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета. - : . ,

Автореферат разослан чч " мая 1999 г.

Ученый секретарь • диссертационного совета канд. техн. наук, доцент ^ Л.А. Патрушев

г/. л!-. 3/,j

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решающее значение на улучшение плодородия почв и повышение урожайности сельскохозяйственных культур оказывают органические удобрения. Значение их определяется комплексным положительным воздействием на все факторы почвенного плодородия и урожайности сельскохо-зяйствешшх культур.

При заделывании удобрений в почву почвообрабатывающими орудиями, происходит неравномерное распределение их по всей глубине и неконтролируемое перемешивание с почвой. Особенно малоэффективен сплошной способ внесения удобрении при возделывании пропашных культур, так как значительная доля внесенного удобрения приходится на междурядья, что способствует прогрессивному росту сорняков, В связи с этим все большее внимание уделяется поиску приемов рационального использования органических удобрений.

Одним из таких приемов является рядковое внутрипочвенное внесение твердых органических удобрений с последующим качественным перемешиванием их с почвой, что соответствует агротехническим требованиям и значительно влияет на повышение урожайности пропашных культур.

Таким образом, совершенствование рядкового внутрипочвенного внесения органических удобрений с последующей качественной заделкой их в рядке, путем перемешивания с почвой посредством ротационного рабочего органа, с целью рационального использования органических удобрений и повышения урожайности культур является важной и актуальной проблемой.

Цель работы. Обеспечение равномерного распределения твердых органических удобрений в зоне корневой системы растений путем перемешивания их с почвой ротационным рабочим органом.

Объект исследования. Процесс перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке ротационным рабочим органом.

Предмет исследования. Закономерности изменения качественных показателен перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке от конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа.

Научная новизна. Разработана математическая модель, описывающая процесс перемешивания твердых органических удобрений с почвой ротационным рабочим органом.

Установлены взаимосвязи качества перемешивания твердых органических удобрений с почвой от конструкционных и эксплуатационных параметров работы ротационного рабочего органа.

Выявлено влияние конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа на энергетические показатели процесса перемешивания твердых органических удобрений с почвой.

Показана эффективность применения ротационного рабочего органа при рядковом внутрипочвенном внесении твердых органических удобрений под качанную капусту.

Практическая ценность. Обоснованные конструктивные и кинематпче-скиепараметры ротационного рабочего органа, обеспечивают качество перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке до 76 %, что способствует повышению урожайности пропашных культур на 20 %.

Результаты исследования могут быть использованы проектными организациями при проектировании машин для внесения органических удобрений.

Внедрение. Машина для рядкового внугрипочвенного внесения твердых органических удобрений РОУ-6-4М, с установленными ротационными рабочими органами внедрена в ТОО "Петровское" Челябинской области и подтверждена актами внедрения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета (1995-1998 гг.), ученом совете ЮЖУРАПНИИПОК, семинара главных специалистов овощеводческих предприятий Красноармейского района Челябинской области.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 4 научных работах, опубликованных в Вестнике ЧГАУ, т. 17-19.

Объем работы. Основная часть диссертации изложена на 268 страницах машинописного текста, включая 78 иллюстраций и 31 таблицу. Работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной лигерапуры 119 наименований и 21 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении подчеркивается актуальность темы, ее практическая значимость, кратко описывается ее содержание, сформулированы основные положения, выносимые на защщу.

В первой главе. "Состояние вопроса и задачи исследования", показана значимость применения удобрений при возделываиии пропашных культур.и обосновано, что целесообразно применять твердое органические удобрения.

При анализе литературных источников по существующем способам внесения удобрений было выявлено, что эффективным в рациональным способом внесения органических удобрений под пропашные культуры является рядковое внутрипочвенное внесение.

Для выявления факторов, влияющих на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, был рассмотрен вопрос-о поглотительной способности корневых систем растений, при которой происходит наибольший вынос питательных веществ из почвы. Резупь'йш показали, что максимальный вынос питательных веществ из по^вы происходит при равномерном распределении удобрений по всему объему расположения корневой системы в рядке.

Произведен анализ приемов задёлки удобрений в почву при существующих технологиях внесения, а также рабочих органов, выполняющих данную операцию. Он показал, что при сплошном способе внесения удобрений происходит очпговое распределение удобрений по полю и бесконтрольное иеремеши-

вание с почвой, что значительно угнетает корневую систему растений. Для равномерного распределения удобрений з слое почвы следует применять ротационный рабочий орган, который при внесении перемешивает органические удобрения с заданным количеством почвы.

Анализ исследований процесса перемешивания сыпучих материалов выполненных такими учеными как: Горячкин В.П., Желиговский В.А., Пигулев-ский М.Х., Ластозцев A.M., Севров К.П., Наумец Н.И., Перельман В.Э., Керов И.П., Леонтьев П.И., Комаров Б.А., Раскатова Е.А., Виктор О., Евсеснков С.А., показал, что процесс перемешивания зависит от ряда факторов. Наиболее существенными факторами, влияющими на качество процесса перемешивания сыпучих материалов, являются га физико - механические свойства, а также конструктивные и кинематические параметры рабочих органов, осуществляющих процесс перемешивания.

При выборе рабочих органов для перемешивания сыпучих материалов, был проведен их обзор, и после предварительных опытов с различными рабочими органами выяснилось, что удовлетворительные показатели качества перемешивания сыпучих материалов были у игольчатого ротационного рабочего органа. В соответствии с вышеизложенным была сформулирована цель исследования - обеспечение равномерного распределения твердых органических удобрений в зоне корневой системы растений путем перемешивания их с почвой ротационным рабочим органом.

Научная гипотеза - равномерное перемешивание твердых органических удобрений с почвой определяется интенсивностью взаимоперемещений частиц твердых органических удобрений и почвы, что возможно достигнуть ротационным рабочим органом при рациональных его параметрах.

Для реализации поставленной цели, исходя из научной гипотезы намечены следующие задачи исследования:

1. Изучить и обосновать тип рабочего органа, режимы его работы влияющих на качественные показатели перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке.

2. Обосновать рациональные параметры ротационного рабочего органа при перемешивании твердых органических удобрений с почвой о рядке.

3. Установить закономерности изменения качественных показателей перемешивания твердых органических удобрений с почвой з рядке в зависимости от конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа.

4. Произвести технико-экономическую оценку эффективности результатов исследования.

Во второй главе. "Теоретическое обоснование конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа" рассмотрены общие предпосылки к изучению процесса перемешивания сыпучих материалов ротационными рабочими органами, Разработана кинематическая схема рабочего процесса ротационного рабочего органа (рис.1), разработана математическая модель взаимодействия иглы ротационного рабочего органа с перемешиваемым мате-

риалом с учетом фюико ■ механических свойств почвы и органического удобрения, определена зона перег.гешпвошу: одной иглой слоя почвы и органического удобрения, обоснованы конструктивные и кинематические параметры ротационного рабочего органа.

/хУ л/ /;/ /у/ V/ /// ///

Рис. 1. Кинематическая схем» ротационного рабочего органа: 1 - пригодное колесо; 2 - ведущая звездочка; 3 - ведомая звездочка; 4 - игла; 5 - почвозацеп; 6 - цепь.

Для обоснования кинематических параметров работы ротационного рабочего органа произведен вывод уравнения траектории движения иглы (рис.2), которое имеет вид:

Х = Уп^+114со5а>-1

У = а4-(1-5т©0 0)

где: V,, - поступательная скорость агрегата, м/с;

Ял - расстояние от оси вращения до конца иглы, м; I - время, с;

ы - угловая скорость ротора, 1/с.

Качество перемешивания твердых органических удобрений с почвой зависит от того, сколько игл одновременно участвуют в процессе перемешивания.

В этом случае угол при котором 4 происходит выход иглы из борозды опре-

Гиг. 2. Траектория движения иглы

где !) - глубина перемешш'.анйя, м.

х делится условием:

Я.

Я

ь

н.

1

При этом полный путь иглы в борозде будет равен: Б = II4 ЯШф ■

Зная скорость иглы, определим время перемещения:

Я.

' V, V, I к.)

и угол поворота ее:

_ . л, ь

фп® -Т„ =—!-^„И-сов 1--

Этот угол не должен превышать угловой шаг расстановки игл:

г„ =

2-я п

(4)

(5)

(6)

где п - количество игл,

что дает возможность рассчитать количество одновременно работающих

игл:

„ п , Ъ

К. =---!— ,[1 ~ соэ 1 —

(при дробном Кр выбирается ближайшее меньшее число). Количество игл определится по формуле:

(7)

2-л-К.

п =

Л,

1-С051

1-

ч "3 у ^ К-«

(3)

Длина иглы определится из технологического условия отсюда:

V 2

(9)

где р - растояние от оси вращения до поверхности борозды, м;

с!с - диаметр ступицы рабочего органа, м.

Минимальный диаметр иглы определится из условия прочности. Наиболее нагруженное положение иглы будет вертикальное (рис. 3).

Для преодоления иглой слоя перемешиваемого материала в рядке, диаметр иглы должен быть таким, чтобы при максимальной нагрузке на иглу она не подвергалась физической деформации.

м.

од-а3

0,1 с)2

Ь

с1„ £

рЦь.-,

1 0,1-[а]

01)

(12)

Рис. 3. Нагрузка на иглу м.

где Ь - глубина перемешивания, м;

Ьи - растояние от ступицы до конца иглы в борозде,

Подставляя значения в уравнение (10) получим даметр иглы с1„=0,08 м.

При определении энергетических показателей ротационного рабочего органа рассмотрены силовые взаимодействия ротационного рабочего органа с перемешиваемым материалом, а также определен угол смены типа скольжения.

Совокупность сил, распределенных по поверхности иглы, не может быть сведена к одной равнодействующей. В качестве точки приведения сил выберем ось вращения иглы.

В точке М) (ММ 1=5) на иглу действуют нормальное и касательное к ее поверхности удельные усилия Р„ и Рт. Выделив в окрестности этой точки элемент длиною дБ (рис. 4), выразим проекции сил на координатные оси относительно оси вращения ротора:

№. =

аг =

У

I 2лЛ _ . ( 2т Р„ соэ! ф +-^ - Р, БШ^ф + —

_ . , ' ( 2т

Рл БШ^ф + —J + Р, СОБ^ф + —

<М=~Р„-(114-8)-с15,

Из;

(13)

(14)

где 1 - номер иглы.

Длина активного участка иглы находится в пределах:

2т

СОБ^ф +

С другой стороны известно, что глубина погружения и длина активного участка зависят от угла ее поворота и как следует из рис. 4:

-■ й

h ,(ф) = у „ - у. = R 4 cos(<? + ~J - (R 4 - h) =

= h„-R,

i 2ni\ 1 -cosj ф + —J

Fx Мы| V F?4-h

R4cos(P»2sl) r4 У- Hp,i hife) V a йчЛ X / h

Рис. 4. Сима сил сопротивления, воздействующих на иглу

При этом глубина погружения произвольной точки М определится выражением:

Ь,(ф б) = Ум, - Уп = (Я 4 - 8)соб^ф + - (а, - ь) = 2яЛ1 „ г . 2яГ)

= h-R,

1 - COS ф +

•Seos ф +

(16)

п /'

Силы, действующие на поверхность иглы при взаимодействии ее с почвой, будут зависить от механических свойств перемешиваемого материала. Главное здесь, произвести выбор подходящей модели поведения среды, соответствующей как ее состояншо, так и условиям взаимодействия.

Для предварительно взрыхленного материала вполне применима модель ' сплошной сыпучей среды.

Рассмотрим площадку ЗБ, находящуюся на глубине И в сыпучей среде, перемещающуюся в направлении К, лежащем в плоскости нормальной к площадке (рнс. 5). Скорость перемещения иглы достаточно мала, т.е. возникающие я среде силы инерции меньше гравитационных сил внутреннего трения среды.

На любую точку данной площадки при ее движении действуют напряжения от массы перемешиваемой среды а, и давлением сгх, обусловленные относительным смещением частиц перемешиваемого материала.

поаерхгостъ юа.те?яаяв

Рис. 5. Площадка на глубине h

Горизонтальная компонента давления определяется как давление на подпорную стенку:

l + sin\j/

(17)

1 — sin V|/ *

где \\i - угол внутреннего трения перемешиваемого материала.

Для данного случая, когда рассматриваемая площадка находится в зоне контакта иглы с материалом, определим нормальную и касательную к поверхности раздела компоненты давления:

q, =СУх8тф+ОгС08ф, (18)

касательная компонента: q„ - tgi]/ . (19)

В то же время касательная компонента сил, действующих на площадку, будет зависеть от того: материал скользит по поверхности иглы, или материал скользит по материалу. В случае если частицы сыпучей среды скользят по площадке и наблюдается скольжение частиц по поверхности иглы, тогда:

qT =(а, costf) + аг sin (p)tgy. (20)

В случае если частицы сыпучей среды не скользят по площадке, а наблюдается скольжение частиц, прижатых к поверхности, относительно других частиц среды, то:

Чт = ажсо8ф-ЬЕ8тф:. (21)

Таким образом, соотношения между qT и углом поворота становятся многозначными и с учетом (21) получат вид:

( l + sinw . ( 2яГ| „ ^ ^

cos ф + — + -—г—i-sm ф + — tgpj.q), <ф:£ф, V n ) 1 — sm vi/ V п )

Ч,

РбЦф>8)

Pg%,s)

1 + sinu/ f , 2л1

-— COSI ф + --

l~siny V п

J ni

•Sin ф + — n

(22)

где (|>Кр - угол поворота иглы, при котором происходит смена вида скольжения (либо с материал - сталь на материал- материал, либо наоборот).

Выражение для сил нормального давления будет иметь вид, независящий от типа скольжеты:

1 + sinw . f 27гЛ ( 2ТП4)1 --—sm ф +- + cos ф +-

[l-siny \ n J V iw Условием вида скольжения является требование минимальности возникающих в зоне контакта касательных усилий. Поэтому для определения угла <рч, необходимо проверять условие q,i > q<j, где индекс 1 относится к первому соотношению, а индекс 2 ко второму.

Ч„ = pgh((?,s)

(23)

=

1_|1С08(Ф)

/ ч l + sinvi/ . / V

coslcp) -f--—sin(m)

к ' 1 - sin и/ к '

tBV,

iV

Из решения уравнения (24) следует:

, 1 + sin 1|/

2я:Г\ 1 — sin vjí

1 + sm / , . , ч

--;-COS((j>)-Sin(<p)

1 - sin ш

tgl ф.р +

n

1 -f sin Ц1 1 — sin

2sin<pKp

tg<p,

(l-^J+fl-^Jsii^,

(2'1)

(25;

Для определения усилий возникающих на игле при перемещении ее чере i слой перемешиваемого материала, получено уравнение:

|МН|

F.» f pgh-d

о

(А. — В. .S)coS(t¡)+^) -(А, -В, -S).Sin(<p + ^Í)

■dS-pgh'-d, I

cos tp+ -

2га

с + 0,5

i-b-li

- СОГ^ф +

+ 0,5'

, . ( _ ( 2 ni Y 3,sm^<p +-J - B„cosl ч> 4-----J

- Э -

, К. С, ( 2пЛУ

1--1 1 - сой ф +-

Ь I V п))

4

СОЗ ^ф +-J

»-Т^сфл. -В.Б^Цф + —^ + (А, -В^-со^ф + -с18 - -реЬ]с!,

^А, ах^ф+—^ +А,

(

+В, -СОй^ф + —^

со{Ф3)

-05

г( 2яП

\*+!Г)

СОБ [ ф

= ф)

НИ

М. — /рвЬ-а,(А.-В. .8)8-48 - р^М, •

СОБ

И9

С08 +-J

Для сокращения записи учтено, что:

(27)

(28)

(29)

Подставляя численные значения в уравнения (26,27) получим окружное усилие Т и крутящий момент М от угла поворота ротационного рабочего органа.

- ГО

В третьей глав; "Методика проведения экспериментальных исследований" приведена программа и и его дика экспериментальных исследований, используемые приборы и оборудование.

Изложены методики:

- лабораторных исследований;

- исследования влияния режимов работы п конструктивных параметров экспериментального рабочего органа на однородность перемешивания твердых органггческих удобрений с по та ой;

- определенпя силовых характерпстик взаимодействия иглы ротационного рабочего органа с перемешиваемым материалом;

- определешш коэфф!пп1ента трения скольжения сыпучпх материалов о поверхности рабочих органов;

- оценки энергетических показателей работы комбштровшшого соппшка;

- полевых экспериментов;

- сравнительных исследований процесса внесения твердых органических удобрений при перемешивании их с почвой ротационным рабочим органом и без перемешивания, а также влияния степени однородности смеси на урожайность белокачанной капусты.

При получении эмпирической модели многофакторного эксперимента был использован метод наименьших квадратов и матрица планирования Бокса-Бенкпна, которая позволяет установить рациональные значения факторов и их выходные параметры.

Отбор проб проводился согласно ГОСТ 8770-58. "Методика отбора проб, Кормоприготовителыюе производство".

Степень однородности смеси определялась по формуле:

ЧУ = 4-1Ш ,% (30)

Л хл "п-1 )

где W - степень однородностн смеси, %;

х - содержание удобрения в пробе, %;

Хо - содержание удобрения, предусмотренное соотношением, %;

пп - число проб.

Получена оптимизационная задача: Г а, И) -> МАХ

[Я. е[1.12,2.24],а е[-45,45],Ь е[80,120]' (31)

Решение данной задачи возможно лишь с помощью привлечения экспериментальных методов, так как теоретических зависимостей, удовлетворительно описывающих процесс перемешивания, пока не существует.

В качестве варьируемых параметров (параметров оптимизации) были выбраны: кинематический параметр - X, угол загиба иглы - а, глубина перемешивания -1), таблица 1.

" П -

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Наименование факторов Обозначения Уровни варьирования Интервал варьиров.

имени. кодир. -1 0 +1

Кинематический параметр А. X, 1.12 1.68 2.24 0,56

Угол загиба иглы ротора а, градус х2 -45 0 +45 45

Глубина перемешивания Ь, мм Хз 80 100 120 20

Поверхность отклика описана полиномом второго-третьего порядка:

I ¿р«.*«** (н>; (32)

¡•I н ¡»»+1 и

где I, j - номер соответствующей переменной, т.е. X, а, Ь;

Р - параметры модели при соответствующих переменных или их взаимодействиях (0-й индекс для свободного члена, одинарные - для линейных эффектов, совпадающие двойные для квадратов переменных, иначе для парных или тройных взаимодействий или кубов переменных);

х - значения соответствующих переменных.

Исследования по взаимодействию иглы с перемешиваемым материалом, а также тяговых показателей, проводились в лабораторных условиях. Сравнительные полевые исследования влияния качества перемешивания твердых органических удобрений с почвой на урожайность капусты проводились в ТОО "Петровское" (1995 г.), исследования по определению однородности смеси проводились совместно с группой механизации селекции картофеля на опытных полях ЮЖУРАЛНИИПОК (1996 г.).

Для обработки осциллограмм, вычисления тарировочных коэффициентов, масштабирования и пересчета значений отсчетов с ординат, построения регрес-. сионных зависимостей были созданы электронные документы и выполнены в системе МСАО-б.О на ШМ.

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований" приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований и их оценка. Проведенные исследования позволили установить зависимости влияния конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа на качество перемешивания, а также влияние однородности смеси на урожайность качанной капусты и произвести энергетическую оценку. Для проведения экспериментальных исследований был разработан комбинированный сошник с ротационным рабочим орсаном (рис. 6).

Рис. б. Схема рабочего процесса комбинированного сошника: комбинированный сошник: 1 - корпус коробчатого типа; 2 - лапа; 3 - съемные отвальчики; 4

- канал для удобрений; 5 - ведомая звездочка; б - ведущая звездочка; 7 - приводное колесо; 8

- почвозацепы; 9 - игольчатый ротор; 10 - цепь; 11 - гребнеобразующие диски; 12 - удобре-

ние; 13 - почва.

При перемещении сошника (рис.2.1), лапа 2 врезается в почву и, рассекая ее, образует борозду. В канал 4 подается удобрение 12, которое затем падает в борозду. В место падения удобрения отвальчиками 3 нагнетается небольшое количество почвы, которая ложится на удобрения. При движении сошшпса происходит перекатывание опорного колеса 7 по почве с помощью почвозацепов 8, которое вращает ведущую звездочку б, через цепь 10 и ведомую звездочку 5, связанную жестко с валом игольчатого ротора 9, приводит его в активное вращение. Комки почвы и удобрения разрушаются, под воздействием игл, удобрение перемешивается с почвой в борозде на заданной глубине. Таким образом, в борозде образуется лента из смеси органического удобрения п почвы, которая засыпается при последующем гребнеобразовашш с помощью дисков 11.

При определении физико - механических свойств используемого перемешиваемого материала, перепревший соломоподстилочный навоз КРС с добавлением к нему М1шерального удобрения, при рыхлом способе хранения, составил 54...65 %, коэффициент трения - 0,466, угол трения материала о сталь - 25", угол внутреннего трения - 22°, объемная масса материала - 1500 кг/м}.

В результате статистической обработки данных многофаеторного эксперимента получено уравнение регресаш для раскодированных значений факторов при определении однородности смеси:

\\М>5,857Х. -0,203а+2,1 Ь+0,212А.Ь+0,003схЬ+16,14Х2-0,011Ь2, (33)

в котором глубина обработки Ь принята в мм, угол загиба иглы а в градусах, а X в относительных единицах.

Математическая модель многофакгорного эксперимента, определенная методом наименьших квадратов, оказалась адекватной по Фишеру со значениями: расчетного критерия - 5,287; табличного - 1,796, при уровне значимости - 5 % и степенях свободы У[=34 и Уг=30.

Одномерные сечения (рис. 7), иллюстрирующие характер изменения однородности смеси в зависимости от параметров X , а, и Ь, свидетельствуют: о росте однородности смеси при увеличении окружной скорости ротационного рабочего органа, и форма поверхности отклика имеет вид мшшмакса (седловины), это говорит о том, что глобального экстремума у уравнения регрессии нет.

100

Л

К а.

во

Рис. 7. Одномерные сечення зависимости однородности смеси от параметров X, а, и Ь

Анализ зависимостей однородности перемешиваемого материала от кинематического параметра, показывают (рис.8), возможность существования наилучших сочетаний кинематического режима и угла загиба иглы для фиксированных глубин.

В качестве рациональных диапазонов изменения параметров с учетом конструктивных и кинематических и технологических ограничений получили X - 2; а - 40°; Ь - 100 мм. При выявлении оптимального рабочего органа в период экспериментов, а также с учетом анализа литературных источников был разработан игольчатый ротационный рабочий орган с конструктивными параметрами: длина иглы - 140 мм; диаметр иглы - 8 мм; количество игл на рабочем органе - 10; ширина рабочего органа - 100 мм; диаметр рабочего органа - 280 мм; угол загиба иглы - 40°.

По результатам энергетической оценки было выявлено, что силы реакции перемешиваемого материала на иглу значительно зависят от физико - механических свойств перемешиваемого материала и от конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа. При выводе уравнений (26,27) эмпирическим методом, движения иглы в перемешиваемом материале не было учтено, что перемешиваемый материал обладает прочностью на разрыв, на сдвиг, и сцеплением между частицами, поэтому расчетные значения напряжений были малы. Для определения движения иглы, приближенного к реальным условиям работы в поле, был применен метод определения напряжений

а) - при фиксированной глубине; 6) кинематическом параметре 1 - для начала; 2 - середины; 3 - конца интервала изменения Ь, Я при а=-45°

70

60

50.

Э 2 1

1 1-х" I 0 ' * У 0 / * /

1 1.3

2.2 А

1.6 1.9

в) г)

в) - при фиксированном угле загиба иглы; г) кинематическом параметре 1 - для начала; 2 - середины; 3 - конца интервала изменения а, X при Ь =80 мм0

Рис. 8. Сечения поверхности отклика

по модели сыпучей среды, после чего было произведено сравнение с диаграммой (рис. 9), полученной в результате экспериментов

В ходе проведения сравнительного эксперимента по определению тягового сопротивления комбинированного сошника с ротационным рабочим органом и без него было установлено, что в первом варианте при включеном приводе игольчатого ротора тяговое сопротивление составило Рт пи =0,695 кН, средне-квадратическое отклонение тягового сопротивления составило аЕКЛ=0,114 кН, а во втором варианте при выключеном приводе, тяговое сопротивление составило Ртвыта.=0,651 кН, среднеквадратическое отклонение тягового сопротивления составило ст„Ы1а.-0,06 кН. Коэффициент буксования приводного колеса сошника составил )]-(),859, коэффициент увеличения тягового сопротивления составил Ку=1,079. Эти показатели свидетельствуют о том, что тяговое сопротивление сошника с включенным приводом на 8 % больше, чем тяговое сопротивление сошника с выключенным приводом, и 17 %-м пробуксовывании приводного колеса сошника

- Г;

т,

11

24

10

12

6

°0 13 38 54 72 80 103 120 144 102 фа)

М,

Н'К

2А 1.0 1.2 0.6

°0 18 30 54 72 ВО 108 123 144 162

б)

Ряс. 9. Диаграммы изменения окружного усилия • а); н крутящего момента - б) от угла поворота ротора.

Расчетные: по полуэмпирической модели -1 и по модели сыпучей среды - 2, опытные - 3

При проведении полевых экспериментов по определению однородности перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке, было выявлено, что однородность перемешивания, полученная теоретическим методом составила \УТ=82 %, а однородность, полученая опытным путем, составила \У0=76 % (рис." 10).

Это говорит о том, что при определении однородности перемешивания теоретическим методом не учитывались физико-механнческие свойства перемешиваемого материала, а также другие факторы влияющие на процесс перемешивания. Таким образом, расхождение теоретических и опытных данных составляет 5 %.

Также при проведении полевых опытов были установлены зависимости влияния однородности перемешивания твердых органических удобрений с поч-

пой па урожайность белокачанной капусты в ТОО "Петровское". Из результатов проведенных экспериментов выяснилось, что при однородности 76 % урожайность качанной капусты составила 423 ц/га по сравнению с 327 ц/га при внесении удобрений без перемешивания.

Рис. 10. Зависимости однородности перемешивания удобрений с почвой при теоретических и экспериментальных исследованиях

В пятой главе. "Экономическая оценка работы ротационного рабочего органа" приведена экономическая эффективность от использования ротационного рабочего органа при возделывании качанной капусты, где прирост прибыли составил 58313 руб/га., получено повышение урожайности качанной капусты на 96 ц/га по сравнению с внесением без перемешивания твердых органических удобрений с почвой. Энергозатраты агрегата с ротационным рабочим органом ниже базового в 4 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

I

На основании проведенных теоретических экспериментальных ислледо-ваний, а также анализа литературных данных, можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что за последнее десятилетие образовался дисбаланс гумуса. Его содержание в почвах снизилось в среднем на 0,33 %. Произошло резкое снижение объемов применения удобрений, что привело к ухудшению состояния сельскохозяйственных угодий, снижению их плодородия. Для достижения бездефицитного баланса гумуса необходимо вносить ежегодно не менее

19,4 млн. тонн или 6 тонн органических веществ в пересчете на навоз на 1 п ■пашни.

2. Рационального использовашы органических удобрений при возделыва ниц пропашных культур можно достичь за счет рядкового внутрипочвенногс внесения твердых органических удобрешш перемешивая их с почвой, что воз можно с применением ротационного рабочего органа. Будет выполнено равно мерное распределение удобрений в зоне корневой системы растений, тем са мым произойдет полное усвоение питательных веществ.

3. В результате теоретического исследования и анализа типов рабочих ор ганов были определены, конструктивные параметры ротационного рабочего ор гана которые составили:

- длина иглы 0,125 м;

- диаметр иглы 0,08 м;

- количество игл 10;

- ширина ротора 0,10 ы.

4. Получена математическая модель, описывающая процесс перемешивз шш твердых органических удобрешш с почвой с учетом их физико - механичс ских свойств. С использованием математической модели определены энергетт ческие показатели взаимодействия ротационного рабочего органа с перемешг ваемым материалом. При преодолении одной иглой слоя органических удобрс или и почвы в рядке, потребуется окружного усилия 22 Н, и крутящего момет 1,4 Н-м

5. Проведенные экспериментальные исследования позволили обосноват рациональные, конструктивные и кинематические параметры ротационного р; бочего органа при которых била достигнута масимальная однородность пер( мешивания:

- кинематический параметр 2.0;

- угол загиба иглы 40°;

-глубина перемешивания 0.10 м.

6. Установлено влияние зависимост качества перемешивания твердых О] гашиеских удобрений с почвой на урожайность капусты, которая составила ц/га при однородности 76 %, урожайность повысилась на 96 и/га по сравнени с урожайностью без перемешивания.

7. Применение экспериментальной машины РОУ-6-4М при внесет твердых органических удобрений с ротационными рабочими органами, позв ляет снизить, по сравнению со сплошным способом внесения:

- прямые энергозатраты связанные с расходом топлива, в 3.8 раза;

- затраты живого труда в 5.5 раза;

- энергоемкость агрегата в 4 раза.

8. Экономическая эффективность от использования агрегата с ротацио ными рабочими органами при рядковом внутрипочвенном внесении тверд! органических удобрений, составила 58313 руб/га.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Наумов Ю.М. Эффективность перемешивания твердых органических удобрений с почвой // Вести. ЧГАУ, т. 17,1996.

2. Наумов Ю.М. Совершенствование средств механизации для внесения удобрений // Веста. ЧГАУ, т. 19,1997. (соавтор Запевалов М.В.).

3. Наумов Ю.М. Экспериментальное обоснование рациональных параметров игольчатого ротационного рабочего органа // Вести. ЧГАУ, т. 19, 1997. (соавторы Дорохов А.П., Сухов В. А.).

4. Наумов Ю.М. Методические указания к лабораторной работе по изучению фязико-механпческпх свойств почвы. Челябинск: ЧГАУ, 1998. (соавторы Мордовцев В.Д., Стршхов В А., Сухов В.А.).

Подписано к печати Формат 64x84/16

Заказ 10 1 Тираж 100 экз. УОП ЧГАУ. 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.

Челябинский государственный агроинженерный университет

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РОТАЦИОННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ВНЕСЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

На правах рукописи

НАУМОВ Юрий Михайлович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук

' профессор А.П. Дорохов

Научный консультант - кандидат технических наук , / доцент М.В. Запевалов

Челябинск 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ........................11

1.1. Эффективность применения органических удобрений и агротех нические требования к созданию машин для их внесения ... 11

1.2. Влияние плодородия почвы на рост и развитие растений . . . .16

1.3. Анализ физико-механических свойств почвы и твердых органических удобрений.....................21

1.3.1 .Физико-механические свойства твердых органических

удобрений.............................26

1.4. Анализ внутрипочвенного внесения уд6б|>евщ^ .........31

1.5. Обзор основных исследований процесс'а перемешивания . . . .34

1.5.1. Выбор метода определения качества смеси...........40

1.6. Основные типы рабочих органов.................45

1.6Л. Краткий обзор рабочих органов для заделки удобрений .... 45

1.6.2. Анализ рабочих органов для перемешивания сыпучих материалов.............................51

1.7. Выводы, цель работы, гипотеза и задачи исследований.....55

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И

КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОГО РАБОЧЕГО

ОРГАНА..................................60

2.1. Обоснование конструктивных параметров ротационного рабочего

органа...................................60

2.2. Определение кинематического параметра ротационного рабочего органа...............................61

2.2.1. Вывод уравнения движения иглы ротационного рабочего органа 62

2.2.2. Определение значений кинематического параметра......65

2.2.3. Определение рабочего хода иглы в борозде...........68

2.3. Определение зоны деформации перемешиваемого материала . 71

2.4. Расчет силового взаимодействия рабочего органа с перемеши ваемым материалом ........................73

2.4.1. Определение окружного усилия и крутящего момента на игле. 81

Выводы..............................84

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ........................86

3.1. Общая методика и программа исследований...............86

3.2. Методика проведения лабораторных исследований.......87

3.2.1. Условия проведения лабораторных экспериментов.......88

3.2.2. Приборы и материалы.......................90

3.2.3. Объекты исследования, оборудование, приборы и измерительная аппаратура....................95

3.2.4. Методика определения энергетических показателей ротационного рабочего органа..................97

3.2.5. Методика определения физико-механических свойств

почвы и органичееког удобрения................ .99

3.3. Методика обработки осциллограмм и оценка погрешностей . 106

3.4. Методика проведения полевых опытов.............108

3.4.1. Методика определения однородности перемешивания удобрений с почвой.......................112

3.4.2. Методика планирования многофакторного эксперимента . . .114

3.4.3. Выбор типа плана........................118

3.4.4. Методика статистической обработки данных многофакторного эксперимента .................120

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.........................123

4.1. Результаты исследований взаимодействия иглы с перемешиваемым материалом..................124

4.1.1. Результаты оценки показателей взаимодействия иглы с

перемешиваемым материалом..................129

4.2. Результаты лабораторных опытов по исследованию взаимодействия ротационного рабочего органа с материалом 135

4.3. Сопоставление результатов теоретического моделирования с экспериментальными данными..................143

4.4. Результаты исследования тягового сопротивления комбинирован ного сошника...........................146

4.5. Результаты определения физико-механических свойств перемешиваемого материала..................155

4.6. Обоснование кинематического параметра и

глубины перемешивания.....................157

4.7. Результаты оценки параметров многофакторной регрессионной модели......................160

4.7.1. Результаты полевого опыта исследования процесса перемешива ния удобрений с почвой и его качества..................167

4.7.2. Эксплуатационно-технологическая оценка агрегатов.....173

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАБОТЫ РОТАЦИОННОГО

РАБОЧЕГО ОРГАНА....................... 176

5.1. Определение показателей сравнительной экономической оценки агрегатов.........................181

5.2. Топливно-энергетическая оценка работы сравниваемых агрегатов при внесении удобрений...............186

ВЫВОДЫ...................................190

ЛИТЕРАТУРА.................................192

ПРИЛОЖЕНИЯ................................202

- 6 -

ВВЕДЕНИЕ

Программа стабилизации и развития агропромышленного производства Челябинской области на 1996-2000 годы учитывает общие положения программы аграрной реформы в Российской Федерации. В то же время она отличается от общей программы тем, что учитывает естественно-исторические и экономические условия Челябинской области в плане специализации сельскохозяйственного производства, формирования многоукладности аграрной экономики и сельскохозяйственной кооперации, развития рыночных отношений, вклада промышленных предприятий и коммерческих структур в развитие сельскохозяйственного производства.

Цель аграрной реформы - придание сельскому хозяйству статуса приоритетной отрасли, создание организационно-экономических, финансовых, и правовых условий для эффективного ведения агропромышленного производства, охрана природных ресурсов и защита окружающей среды. Обеспечение на этой основе гарантированного снабжения населения области продуктами питания.

Как показывают агрохимические обследования почв, в последние годы образовался дисбаланс гумуса. Его содержание в почвах снизилось за 20 лет в среднем по области на 0,33%. На это оказало влияние резкое снижение объемов применения органических удобрений в 6 раз.

Мероприятия, предусмотренные Комплексной программой повышения плодородия почв Челябинской области, в полном объеме не выполнены. Внесение органических удобрений уменьшилось с 6,5 млн. т в 1990 г. до 1,1 млн. тв 1995 г.

Для поддержания гумуса предусматривается доведение применения органических удобрений до 7,6 млн. т в 2000 г.

При получении бездефицитного баланса гумуса необходимо вносить ежегодно не менее 19,4 млн. тонн или 6 тонн органических веществ в пере-

счете на навоз на 1 га пашни. Фактически вносилось в 1986-1990 гг. в среднем за год 9.3; в 1991 году - 6.2; в 1992 году - 2.8; в 1993-1995 гг. в среднем за год - 1,6 млн. тонн.

Наиболее реальным источником пополнения органического вещества почвы является навоз, сидеральные культуры, солома, сапропель и др. Все приемы направленные на увеличение поступления органического вещества в почву, не дадут ожидаемого результата без навоза, который является не только источником пополнения почвы органическим углеродом и элементами питания растений, но и средством управления микробиологическим процессом.

Исходя из прогноза поголовья животных и птицы в сельскохозяйственных предприятиях выход навоза в 2000 году составит 3,56 млн тонн. Его внесение в почву позволит снизить на треть дефицит баланса гумуса. При этом одновременно решается важнейшая задача обеспечения экологической безопасности крупных животноводческих комплексов.

Одним из условий повышения урожайности овощных культур является рядковое внутрипочвенное внесение твердых органических удобрений, непосредственно перед посадкой. Многие овощные культуры (кочанная капуста, столовая свекла, огурцы, лук), а также картофель чувствительны к концентрации солей в почве, но требуют повышенное количество питательных веществ в процессе всего вегетационного периода для формирования урожая и улучшения его качества. При производстве таких культур целесообразно совместное использование органического и минерального удобрения в виде ор-гано-минерального компоста.

При использовании орагно-минеральных удобрений особое внимание должно уделяться равномерности распределения удобрения в рядках а также удобрение должно быть качественно перемешано с почвой.

Однако традиционная технология внесения органических удобрений, которая включает сплошное распределение удобрения по поверхности поля, как правило кузовными разбрасывателями, с последующей заделкой его в

почву, почвообрабатывающими машинами, имеет множество недостатков, которые резко снижают эффективность использования органических удобрений и в настоящее время не отвечает агротехническим требованиям.

Наиболее положительным решением является использование машины для внесения твердых органических удобрений под пропашные культуры на базе РОУ6-4М, оснащенной ротационными рабочими органами. Этот агрегат используется как с полным комплексом рабочих органов и механизмов, так и с частичным, в зависимости от конкретных условий применения. В частности комбинированный сошник отвечает следующим агротехническим требованиям: им можно вносить удобрения под все пропашные культуры; эффективно работает при внесении как твердых органических удобрений так и минеральных; имеет разнообразные режимы и параметры позволяющие с заданной точностью выполнять операции, качественно перемешивает удобрения с почвой.

Цель работы. Обеспечение равномерного распределения твердых органических удобрений в зоне корневой системы растений путем перемешивания их с почвой ротационным рабочим органом.

Объект исследования. Процесс перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке ротационным рабочим органом.

Предмет исследования. Закономерности изменения качественных показателей перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке от конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа.

Научная новизна. Разработана математическая модель, описывающая процесс перемешивания твердых органических удобрений с почвой ротационным рабочим органом.

Установлены взаимосвязи качества перемешивания твердых органических удобрений с почвой от конструкционных и эксплуатационных параметров работы ротационного рабочего органа.

Выявлено влияние конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа на энергетические показатели процесса перемешивания твердых органических удобрений с почвой.

Показана эффективность применения ротационного рабочего органа при рядковом внутрипочвенном внесении твердых органических удобрений под качанную капусту.

Практическая ценность. Обоснованные конструктивные и кинематические параметры ротационного рабочего органа, обеспечивают качество перемешивания твердых органических удобрений с почвой в рядке до 76 %, что способствует повышению урожайности пропашных культур на 20 %.

Результаты исследования могут быть использованы проектными организациями при проектировании машин для внесения органических удобрений.

Внедрение. Машина для рядкового внутрипочвенного внесения твердых органических удобрений РОУ-6-4М, с установленными ротационными рабочими органами внедрена в ТОО "Петровское" Челябинской области и подтверждена актами внедрения.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях Челябинского государственного агроинженер-ного университета (1995-1998 гг.), ученом совете ЮЖУРАЛНИИПОК, семинаре главных специалистов овощеводческих предприятий Красноармейского района Челябинской области.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 4 научных работах, опубликованных в Вестнике ЧГАУ, т. 17-19.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений 21, изложена на 265 стр. машинописного текста и содержит 78 рисунка, 31 таблиц; список использованной литературы содержит 119 источников. В первой главе обоснованы и установлены цель и задачи исследования.

Во второй главе описаны теоретические аспекты обоснования ротационного рабочего органа.

Третья глава посвящена разработке методики проведения лабораторных и полевых экспериментов для сравнения с результатами теоретических исследований.

В четвертой главе обоснованы рациональные конструкционные и эксплуатационные параметры ротационного рабочего органа а также технико-эксплуатационные показатели агрегатов при внесении твердых органических удобрений под пропашные культуры.

В пятой главе определяется экономическая эффективность применения ротационного рабочего органа а также выполняется топливно-энергетическая оценка работы сравниваемых агрегатов.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Эффективность применения органических удобрений и агротехнические требования к созданию машин

для их внесения

Удовлетворение потребности населения продуктами питания - главная задача агропромышленного комплекса страны. Большая роль в выполнении этой задачи отводится растениеводству, где повышение урожайности сельскохозяйственных культур, при минимальных затратах на их производство, возможно только на основе рационального использования земли и повышения плодородия почв [2,3,6,10,11,12,34].

Мировой и отечественный опыт сельскохозяйственного производства показал, что решающее влияние на повышение плодородия почвы и бездефицитного баланса гумуса, существенное влияние оказывает применение удобрения. При этом, как не велико значение в повышении урожайности органических удобрений и не смотря на возросшее их потребление, важная роль должна отводиться местным удобрительным ресурсам, повсеместное распространение которых делает их весьма эффективными [2].

Большой вклад по исследованию влияния удобрений на плодородие почв сделали: Прянишников Д.Н. [3], Докучаев В.В. (1846-1903), Вернадский В.И. (1863-1945), Вильяме В.Р. (1863-1939), Сибирцев Н.М., Костычев П.А., Качинский H.A. [21], Розанов Б.Г. [22], Кононова М.М. [23], Пономарева В.В. [24] и др, а также их зарубежные коллеги - Е. Гильгард в США, Э. Раманн в Германии, А. Зигмонд и П. Трейц в Венгрии, Г. Мургочи в Румынии, И. Ко-пецкий в Чехии и др.

Академик Прянишников Д.Н. указывал, что с ростом применения минеральных удобрений будет возрастать и количество использования органических удобрений [3,4].

- 12 -

Органические удобрения оказывают многостороннее действие на важнейшие агротехнические свойства почвы и при правильном их применении, резко повышают урожайность сельскохозяйственных культур. Эти удобрения прежде всего служат источником питания растений. С использованием органического удобрения, в почву поступают как все без исключения элементы пищи растений, так и значительное количество органических соединений, что имеет положительно ее значение для физических свойств почвы. Органические удобрения являются хорошим средством наполнения почвы полезными микроорганизмами, под влиянием которых эти удобрения разлагаются в почве и выделяется углекислота, которой насыщается почвенный воздух, при этом резко улучшается воздушное питание растений, что является существенным фактором получения высоких урожаев, сельскохозяйственных культур (рис. 1.1), [2,5,6,7,8].

Физи^о-химическдо свойства почвы водный, воздушный и тепловой режим

Рост и развитие растений

Численность и жизнедеятельность почвенных микроорганизмов

Концентрацию углекислого газа в почвенном и припочвеннои воздухе

Содержание макро и микроэлементов

Содержание гумуса и прочность _ структуры_

Буферность и емкость поглощения _ почвы_

Потери воды из почвы

Сопротивление почвы при меха _нической обработке_

Повышение эффективности использо вания минеральных удобрений на 20%

Экономичному расходованию воды

Увеличению корневой системы растений

Рис. 1.1. Факторы влияющие на почву при внесении органических удобрений

В настоящее время в качестве органических удобрений используется навоз, торф, птичий помет, органические отходы коммунального хозяйства и промышленности, сапропель, зеленое удобрение [ 9].

Однако, несмотря на такое их многообразие, в Челябинской области основным органическим удобрением, как самым доступным и дешевым, остается подстилочный навоз.

Наиболее высокая оплата навоза прибавкой урожайности достигается при использовании его под пропашные культуры: картофель, капусту, корнеплоды [2,6,13]. При этом наиболее высокие прибавки урожайности навоз дает в районах достаточного увлажнения легкого и среднего механического состава почвы. Поэтому, целесообразно применение навоза на орошаемых культурах, в частности, на капусте, которая в Челябинской области возделывается в основном на орошаемых участках.

По рекомендации НИИ овощного хозяйства под капусту, в зависимости от содержания гумуса в почве и сорта, при ее возделывании требуется вносить повышенные дозы навоза [10], табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Дозы внесения навоза под качанную капусту

Сорта капусты Содерж. гумуса в Ко