автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы центробежного рабочего органа для внесения минеральных удобрений на склонах

На правах рукописи

ДАСЬКИН Иван Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА СКЛОНАХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 Г,ЕК 2013

Саранск 2013

005543208

005543208

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарёва».

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент

Седашкпн Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Славкин Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», зав. кафедрой технической механики; Купряшкин Владимир Федорович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева», доцент кафедры основ конструирования механизмов и машин

Ведущая организация: ГНУ Мордовский научно-

исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» 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. Н. П. Огарёва». :

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г. и размещен на официальных сайтах ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» http://www.rnrsu.ru и Минобрнауки РФ http://vak2.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

Величко С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В нашей стране 58 % сельскохозяйственных угодий имеют расчлененный рельеф и расположены на склонах крутизной до 10°. Ежегодно с таких участков смывается большое количество плодородной земли, а вместе с ней и Питательных веществ. Эффективность минеральных удобрений на смытых почвах на 20-40 % выше, чем па не смытых, в связи с чем необходим дифференциальный подход к внесению удобрений.

В настоящее время на долю основного внесения приходится около 65 % объема минеральных удобрений. В России и за рубежом наибольшее распространение для проведения этой операции получили машины с дисковыми центробежными аппаратами. Новая концепция привода и электронное управление разбрасывателей такого типа повышают точность и эффективность внесения удобрений. Однако бункер, заслонка, разбрасывающий диск и основной принцип работы почти не изменились. Недостатками разбрасывателей общего назначения являются большая неравномерность и асимметричность распределения удобрений на склонах, что приводит к снижению урожайности и качества продукции сельскохозяйственных культур. Поэтому задача совершенствования технологий и средств механизации для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоновых участках является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в совершенствование конструкции и технологического процесса работы центробежного аппарата внесли отечественные и зарубежные ученые: П. М. Василенко, С. И. Назаров, В. А. Чериоволов, Т. В. Румянцев, Ю. И. Якимов, Б. Л. Кушилкин, М. Г. Догановский, В. В. Рядных, Н. И. Волошин, В. В. Адам-чук, В. С. Сергеев, В. П. Забродин, Н. М. Марченко, Г. И. Личман, А. Е. Ше-балкин, В. И. Якубаускас, А. А. Докучаев, Е. А. Губарев, А. Н. Седашкин и др. Благодаря им накоплен громадный теоретический и экспериментальный материал. Наиболее полно исследован технологический процесс работы таких центробежных аппаратов, у которых подача сыпучего материала осуществляется перпендикулярно к плоскости вращения диска поперек лопастей. Однако наблюдения за их работой показали, что этот вид подачи на диск далек от совершенства, особенно при внесении удобрений на склоновых участках. Основная причина заключается в том, что на технологический процесс работы оказывает влияние целая группа факторов, таких как физико-механические свойства материала, технологические параметры дозирующего устройства, место подачи на лопасти диска и ряд других. Уменьшить их влияние можно за счет совершенствования конструкции центробежного рабочего органа и повышения эффективности его работы.

Исследование выполнено в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы»,

отвечающей приоритетным научным работам вуза {ПНР - 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).

Цель исследования. Повышение эффективности процесса распределения минеральных удобрений путем разработки конструкции центробежного рабочего органа и обоснование его параметров и режимов работы на склоновых участках.

Объект исследования. Технологический процесс распределения туков с использованием предложенного центробежного рабочего органа машин для работы на склоновых участках при поверхностном внесении минеральных удобрений.

Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивных параметров и режимов работы предложенного рабочего органа на качественные показатели при внесении минеральных удобрений на склоновых участках.

Научная проблема заключается в повышении равномерности распределения минеральных удобрений центробежными дисковыми рабочими органами на склоновых участках.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Обоснование аналитических закономерностей для определения конструктивных параметров и режимов работы центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склоновых участках.

2. Методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склонах.

3. Конструкция центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоне, обеспечивающая равномерность их распределения согласно агротехническим требованиям.

4. Регрессионные математические модели, адекватно описывающие процесс распределения частиц минеральных удобрений рабочим органом по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава, особенностей конструкции рабочего органа и рельефа поля.

Научную новизну работы представляют:

1) закономерности истечения сыпучего материала вдоль поверхности рабочего органа от момента поступления до момента конечного схода без удара и разрушения гранул;

2) обобщенная методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склонах;

3) конструкция центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоне, обеспечивающая равномер- -ность их распределения согласно агротехническим требованиям;

4) регрессионные математические модели, адекватно описывающие процесс распределения частиц минеральных удобрений рабочим органом по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава, особенностей конструкции рабочего органа и рельефа поля.

Практическую значимость работы представляют:

1) закономерности истечения сыпучего материала вдоль поверхности рабочего органа от момента поступления до момента конечного схода без удара и разрушения гранул;

2) методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склонах;

3) конструкция центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоне, обеспечивающая равномерность их распределения согласно агротехническим требованиям.

Новизна технического решения подтверждена тремя патентами на полезные модели РФ: № 1 12586 («Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах» от 20.01.2012 г.), № 95959 (« Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах»), № 131937 (« Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах»);

4) регрессионные математические модели, адекватно описывающие процесс распределения частиц минеральных удобрений рабочим органом по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава и рельефа поля.

Методы исследования. Теоретические исследования движения частиц удобрений по поверхности рабочего органа, основанные на системе дифференциальных уравнений непрерывного схода частиц удобрений от момента поступления на рабочий орган до момента конечного их схода без удара и разрушения гранул. При проведении исследований использовались известные теоретические положения о закономерности движения сыпучих материалов и математический анализ. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и полевых условиях с использованием отраслевых и частных методик, действующих ГОСТов и ОСТов, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. Полученные результаты обрабатывались на ПЭВМ с применением современного программного обеспечения (в пакетах Microsoft Excel).

Реализация результатов исследования.

Разработанный центробежный рабочий орган внедрен в хозяйства СПССК «Агро-С» (с. Дубенки, Республика Мордовия) и КФХ «Саушкин А.Н.» (с. Чиндяново, Республика Мордовия) путем модернизации разбрасывателя для поверхностного внесения минеральных удобрений на склонах.

Личный вклад соискателя состоит в постановке научной проблемы, решении теоретических задач, получении и анализе результатов экспериментальных исследований и их интерпретации, написании научных статей и оформлении заявок на патенты и их реализации. При участии соискателя разработан и внедрен на предприятиях АПК новый центробежный рабочий орган для внесения минеральных удобрений.

Апробация результатов. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на ежегодных научных конференциях ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» (2010-2013); Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии,

средства механизации и технического обслуживания в АПК» (2011); расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин МГУ им. Н. П. Огарева; научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (2010-2013). Экспериментальный образец рабочего органа и рекомендации по переоборудованию серийных разбрасывателей минеральных удобрений демонстрировались на республиканских выставках.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, 9 работ в материалах международных конференций, получены 3 патента на полезные модели: № 112586, №95959, № 131937.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Объем диссертации составляет 139 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц и 31 рисунок. Список литературы составляет 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной проблемы; поставлена цель работы; определены объект, предмет и методы исследования; приведены научные положения и результаты, выносимые на защиту; раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены агротехнические требования к внесению минеральных удобрений, проанализированы существующие технологии, проведен анализ влияния неравномерности внесения минеральных удобрений на урожайность сельскохозяйственных культур, центробежных рабочих органов машин на качество распределения туков по поверхности поля с различным рельефом.

Анализ работ, посвященных изучению центробежно-дисковых рабочих органов и причин, обусловливающих низкое качество их работы, показывает, что большая часть исследований посвящена изучению распределения удобрений с выровненным гранулометрическим составом и нулевой скоростью подачи на диск. Несмотря на то, что в результате выполненных исследований накоплен большой теоретический и производственный материал, использование применяемых в настоящее время центробежных дисковых рабочих органов на разбрасывателях не всегда отвечает агротехническим требованиям по качеству распределения минеральных удобрений по ширине захвата и по ходу движения агрегата, особенно при работе на склоновых участках. Все это говорит о необходимости дальнейшего изучения технологического процесса внесения туков центробежно-дисковыми рабочими органами и совершенствования их конструкции применительно к конкретному материалу с учетом его физико-механических свойств и условий работы.

Решить проблему неравномерности распределения минеральных удобрений только экспериментально и за счет совершенствования конструкции рабочего органа машины для работы на любых участках не представляется

возможным. Нами поставлена задача поиска решений по повышению эффективности процесса распределения минеральных удобрений на склоновых участках.

Проведенный обзор научной н патентной литературы, исследований по внесению минеральных удобрений показал, что существующие рабочие органы и приспособления машин для внесения удобрений на склонах имеют множество недостатков. Поэтому дальнейшее исследование и разработка новых конструкций и технологических средств для внесения минеральных удобрений на склоновых участках являются актуальной и важной задачей.

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

1. Выполнить исследования технологического процесса внесения минеральных удобрений на склоновых участках с целью установления рациональных параметров и режимов работы центробежного рабочего органа.

2. Получить закономерности технологического процесса истечения сыпучего материала вдоль поверхности рабочего органа от момента поступления до момента конечного схода без удара и разрушения гранул.

3. Определить закономерности распределение туков с различным гранулометрическим составом по поверхности почвы при различных углах выброса и падении на поверхность почвы.

4. Разработать экспериментальный образец центробежного рабочего органа машин, предназначенных для работы на склоновых участках.

5. Провести сравнительные исследования в полевых условиях работы машин с экспериментальным рабочим органом и серийным центробежным диском на склоновых участках и дать сравнительную характеристику экономической эффективности их использования.

Во второй главе «Теоретические исследования» дано обоснование общей схемы исследования, проведены результаты теоретических исследований технологических и конструктивных параметров, представлена конструкция центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склоновых участках.

Работа дискового рабочего органа с прямыми лопастями характеризуется известной неравномерностью распределения материала по поверхности почвы, так как частицы сходят с диска не по всему его периметру, а только с тех точек, где расположены концы лопастей. Материал распределяется лопастями отдельными струями и ложится па поверхность почвы концентрическими кругами. Это свидетельствует о наличии пульсирующей подачи. Поэтому, учитывая вышеизложенное, в основу теоретического обоснования формы рабочей поверхности центробежного рабочего органа нами положена предпосылка о непрерывном сходе частиц удобрений от момента поступления на рабочий орган до момента конечного схода. То есть поток удобрений, поступающих на рабочий орган, должен быть близок к регулярному. Кроме того, нами учтено требование о том, что поступление частиц туков на рабочий орган должно происходить без удара, разрушения гранул и пересыпания через край диска при работе на склоне.

Учитывая закономерности движения сыпучих материалов, профессор M. X. Пигулевский отмечает сыпучесть активную и пассивную. Активная сыпучесть определяется таким состоянием тела, когда отдельные частицы его удерживаются в состоянии равновесия за счет трения на опорных поверхностях. Тело, обладающее активной сыпучестью, способно принять форму конуса.

Из закономерностей движения сыпучих материалов по опорной поверхности следует, что если в первой фазе (рис. 1) рабочего процесса частицы удобрений будут подаваться вдоль конической поверхности, то это не только обеспечит движение частиц без удара, но и предотвратит разрушение гранул.

Рисунок 1 - Схема сил, действующих „а частицу Дифференциальное урав-

при непрерывном ходе по опорной поверхности "ение отРЬ1ва частиц, движущихся по конической поверхности, при ее одновременном вращательном движении запишется:

G dx dy N+-ù>ly— -G-f= 0, Cl)

g ds ds K >

где N - нормальная реакция поверхности на частицу, H ; G - сила тяжести, Н; g - ускорение свободного падения, м/с2; сос - угловая скорость вращения, с"1;

х, у - текущие координаты линий вращения, мм; 5 на элементарном участке, м.

Решая уравнение (1), получим:

\у\ = ks ■ ехр

m

путь, пройденный частицей

(2)

где кц - коэффициент, учитывающий путь прохождения частицы от формы рабочего органа, м.

По уравнению (2) нами построены зависимости у=/(х) при различных значениях угловой скорости рабочего органа.

Анализируя уравнение (2), можно сделать вывод, что с целью обеспечения непрерывного движения частиц удобрений по опорной поверхности верхняя часть рабочего органа должна быть образована вращением логарифмической кривой (рис. 2) вокруг вертикальной оси.

Отрыв частиц с рабочей поверхности центробежного аппарата происходит за счет постоянного возрастания окружной скорости и изменения центробежной силы инерции которая достигнув определенной величины, отрывает частицу тука от конической поверхности раньше, чем она достигнет нижней части рабочего органа.

Следовательно, для исключения отрыва частиц с конической части конструкция рабочего органа должна быть дополнена элементами, предохраняющими сход частиц с различных точек конусной поверхности при работе агре-

гага на склоіге. Таким дополнительным элементом может быть винтовая поверхность, установленная вокруг конуса (рис. 3).

Для определения оптимальной частоты вращения рабочего органа рас-

40 80 120 160 200 -v, мм

Рисунок 2 - Форма кривых, характеризующих комическую часть рабочего органа: I - при со = 15,0 с-'; 2 - прп ш=20,0 с-'; 3 - при ш = 30,0 с"'

Рисунок 3 — Силы, действующие на частицу удобрений, находящуюся на винтовой поверхности рабочего органа

смотрим движение частицы по данной поверхности.

На частицу М действуют следующие силы: сила тяжести G, нормальные реакции винтовой поверхности и конусного контура N\ и М, силы трения о лопасть Fx = h/V, и контур F2 = f'¿N2-

Заменяя Nj и N-¿ равнодействующей RN и проектируя силы на оси .г и z, получим

х = F2 cos f¡ — Rn sin(ip + tpi) = 0

(3)

7. = Rn cos(i/f + <Pi) — G — F2 sin /? = 0

E'

где у/ - угол подъема наружной винтовои линии, град.

S RrjS teib = — = —; 7ID' П ' _ S RNS — "Jyt

(4)

- -¡у. (5)

где 5 - шаг, мм; £>' — диаметр кольца, мм; Л,у - равнодействующая реакция, Н. Переносная скорость

щ = О)0г, (6)

Исключив из уравнений (3) и (4) реакцию Яд,, после преобразований полу-

а)|г ш* D 9 2 д '

(7)

где ц'— коэффициент быстроходности винтовой поверхности; ши - угловая скорость рабочего органа, с"1.

Данный коэффициент показывает соотношение между центробежной силой на кромке винтовой поверхности и силой тяжести.

При заданных г, у/, /] и /2 из формулы находим угол /?, определяющий угол

подъема винтовой поверхности.

Подставляя в правую часть ряд значений /?, получим соответствующие величины р! и шв.

При /3=0 находим

. _ + <Р1) + тгЛ

(О. = а>„ = I= 4.4 I- = 4.4 I """ ' ""--(9)

Из формулы (9) определяется «критическое значение» швк угловой скорости. При угловой скорости о!вк ниже данных значений частицы удобрений будут скатываться по винтовой поверхности вниз и равномерно подаваться на плоский диск к выбросным лопастям.

Как было отмечено выше, рабочий процесс центробежного рабочего органа состоит из двух фаз. В первой фазе частицы удобрений взаимодействуют с рабочей поверхностью распределяющего органа; во второй, получив необходимую скорость, совершают свободный полет в воздушной среде и распределяются по поверхности почвы. При этом наиболее полно исследован технологический процесс работы таких центробежных аппаратов при работе на горизонтальной плоскости, т.е. на ровном поле.

При работе на склонах дальность полета частиц будет отличаться от дальности полета на горизонтальном участке. Если центробежный рабочий орган параллелен горизонтальной плоскости, то траектория полета частиц без учета сопротивления воздуха будет представлять собой параболу.

С учетом поверхности склона траекторию полета частиц можно определить из следующего выражения:

=

(10)

ос2

где х,у- координаты траектории полета в момент времени V, V - скорость вылета частицы, м/с; #'- высота точки вылета, м; д - ускорение свободного падения, м/с2; ' - время полета частицы, с; а - угол склона поля, град; у - ±xtga - уравнение поверхности склона.

Дальность полета частицы (рис. 4) зависит от координат точек В, С, О пересечения траектории движения АВСИ частицы с поверхностью поля, имеющей наклон под углом а. Тогда формулы для определения дальности полета частиц

будут иметь следующий вид:

ОС = + 17

2 И'

ОВ =

V

дсоэа 1

-1+ 1 +

2 дН' v2tg2a

00 =

Рисунок 4 - Схема к определению дальности полета частиц

v2tga дсоБа

1± 1 +

2 дН' у21%2а

где ОС, ОВ, ОО - дальность полета частиц соответственно на горизонтальном участке, вверх и вниз по склону, м; V - скорость вылета частицы с диска, м/с; а - угол склона поля, град.; д - ускорение силы тяжести, м/с2; Я' - высота точки вылета, м.

Положение рабочего органа в пространстве зависит от рельефа поля. Углы вылета к горизонту постоянно изменяются из-за наклона машины, места подачи удобрений на распределяющие диски, а также влияния силы тяжести частицы на составляющие. От этих параметров зависят углы схода частиц с центробежного диска (сектор рассева) и дальность полета частиц. Эти показатели в свою очередь приводят к перераспределению удобрений по ширине захвата. Повышенная неравномерность распределения туков объясняется неравенством площадей, засеваемых слева и справа от продольной оси агрегата, при неизменном количестве выбрасываемых на них удобрений.

Для теоретического обоснования выдвинутых нами предположений рассмотрим дальность полета частиц удобрений, сошедших с рабочего органа при работе агрегата на склоне (рис. 5).

На частицу удобрений, сошедшую с периметра рабочего органа параллельно углу склона /г /{_ а, действуют сила

тяжести частицы б и сила сопротивления воздушной среды Л. Сила сопротивления Л направлена по касательной к траектории движения частицы в сторону, противоположную направлению скорости %

Дифференциальные уравнения движения частиц в проекциях их оси х и г с учетом сил, действующих на частицу, примут вид:

(П)

Рисунок 5 - Схемы сил, действующих на частицу

— /Сц/С-

(Ú-M

(12)

где х, z- проекции перемещений частиц на оси координат, м; кхик2- коэффициенты, учитывающие замену cos ах на cos2 аг и sin ах на sin2 а1; кп - коэффициент парусности частиц, 1/м; vx,vz- проекции скоростей полета частиц на оси координат, м/с; д - ускорение свободного падения, м/с2.

Уравнение для наших условий дальности полета частиц будет:

sin2 2а0 і

X = -

9

-±

н'д

4 2vi sin an

(13)

где г;0 - абсолютная скорость схода удобрений с диска, м/с; а0 - угол, образованный касательной к траектории полета частицы и горизонтальной осью в начальный момент времени, град; Н' - высота установки диска над поверхностью почвы, м.

В уравнении (13) знак минус ставится при полете частицы вверх по склону, знак плюс — вниз по склону.

Анализируя уравнение (13), можно сделать вывод, что с увеличением угла склона ширина полос вносимых разбрасывателем удобрений на подъеме уменьшается, а количество удобрений, распределяемых на эти полосы, сохраняется. Вследствие этого кривые изменения доз при работе на подъеме приобретают более круговершинный характер. Это говорит о том, что большая часть распределенных удобрений концентрируется в непосредственной близости от продольной оси движения аппаратов, увеличивая дозы внесения удобрений.

В процессе работы рабочий орган совершает сложное движение — поступательное (переносное) и вращательное (относительное). Траектория падения распределяемых рабочим органом удобрений будет представлять собой циклоиду, форма которой зависит от соотношения окружной и поступательной скоростей, которое называется кинематическим режимом и определяется так:

ШСГ

где ыс - угловая скорость рабочего органа, с '; г - радиус плоского диска рабочего органа, м; у„ - поступательная скорость агрегата, м/с.

Так как на рабочем органе устанавливаются несколько лопастей, то их одноименные точки создают одинаковые секторы рассева из разбрасываемых удобрений, но смещенные вперед по ходу машины. Это расстояние называется шагом рассева, который оказывает непосредственное влияние на равномерность распределения удобрений по ходу движения агрегата.

Представлено обоснование основных рациональных конструктивных и кинематических параметров экспериментального рабочего органа для работы на склонах: диаметр диска (£>=450 мм), высота конуса (й=160 мм), угол образующей конуса («=36°), диаметр основания конуса (¿/=300 мм), число лопастей (г=4), высота выбросных лопастей (о=40 мм), угол подъема винтовой поверхности (/?=72°).

Зная число лопастей г и перемещение машины за время одного оборота рабочего органа Л'0, находим значение шага рассева:

_2пг (15)

Шаг рассева прямо пропорционален радиусу диска г и обратно пропорционален числу лопастей г и кинематическому режиму X.

На основании проведенных теоретических исследований по обоснованию рациональных параметров центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склонах нами разработан центробежный аппарат, на который получен патент РФ № 112586 (рис. 6), который состоит из конической части и плоского диска. На конической части вдоль образующей конуса установлены винтовые поверхности, которые закрываются конусным контуром. Такая конструкция рабочего органа обеспечивает непрерывное движение туков от места подачи до края плоского

Г

диска без удара и разрушения гранул при работе центробежного аппарата на склоновых участках.

11_третьей главе «Программа и методика экспериментальных

исследований» изложена программа экспериментальных исследований, дано описание объекта исследования, измерительного оборудования и приборов, методика проведения и обработки результатов опытов.

В соответствии с поставленными задачами исследований предусмотрено: проверить работоспособность предложенного рабочего органа (рис. 6); установить влияние кинематических и конструктивных параметров на равномерность распределения минеральных удобрений по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава и угла склона в полевых условиях.

Для определения данных параметров нами были проведены лабораторные и лабораторно-поле-вые исследования. Лабораторные исследования проводились на установке, представленной на рис. 7 и 8. Определяли форму рабочего органа, место подачи удобрений на рабочий орган, частоту вращения рабочего органа.

Полевые исследования проводились на полях фермерских хозяйств Республики Мордовия и на полигоне Института механики и энергетики с использованием серийного разбрасывателя с экспериментальным рабочим органом.

Рисунок 6 - Экспериментальный рабочий орган: 1 - коническая часть, 2 - криволинейная лопасть, 3 - конусный контур, 4 - выбросная лопасть, 5 — плоский диск

Рисунок 7 - Схема лабораторной установки:

1 - регулировочный винт; 2 - бункер; 3 - направляющая; 4 - заслонка; 5 - сектор; 6 - центробежный рабочий орган; 7 - электродвигатель; 8 - подставка; 9 — ворошитель; 10 — латор

(обозначения см. на рис. 7)

Показатели качества работы экспериментального разбрасывателя определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 28714-2007. Обработку полученных результатов проводили с применением ПЭВМ и специального программного обеспечения. Физико-механические свойства минеральных удобрений определяли по общепринятым методикам.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты исследований. Для проверки качества выполнения технологического процесса нами были осуществлены сравнительные испытания машины с серийным и экспериментальным рабочим органом при внесении минеральных удобрений на склонах.

Как показали полевые исследования, характер распределения удобрений экспериментальным и серийным рабочим органом при поверхностном внесении туков в основном идентичен. Как видно из рис. 9, распределение удобрений по ширине рассева при движении агрегата поперек склона в 15° с серийным рабочим органом относительно прохода агрегата в основном симметрично. Однако в сравнении с работой на ровном участке в середине прохода наблюдается некоторое увеличение расхода удобрений.

Экспериментальный рабочий орган в сравнении с серийным диском изменил характер распределения удобрений по ширине захвата и по равномерности распределения. Это достигнуто за счет перераспределения удобрений с нагорной стороны к средней части, что привело к симметричному распределению туков относительно оси движения агрегата.

В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением угла склона до 15° дальность полета частиц, выбрасываемых серийным дисковым аппаратом, на подъем снижается более чем в 1,7 раза, чем вниз по склону. Такие изменения обусловлены тем, что энергия выбрасываемых на подъем частиц используется на их перенос не полностью. Она «гасится» наклонной поверхностью почвы.

Для экспериментального рабочего органа с увеличением угла склона до 15° дальность полета удобрений на подъем возрастает (рис. 10). Такие изменения вполне закономерны, так как начальный угол выброса частиц экспериментальным рабочим органом возрастает, что ведет к увеличению дальности полета удобрений на восходящем участке. В то же время на нисходящем участке она уменьшается, так как нисходящая линия становится менее отвесной. Скорость роста дальности полета частиц на восходящем участке значительно выше скорости ее уменьшения на нисходящем участке. Экспериментальная проверка дальности полета частиц удобрений, выброшенных экспериментальным рабо-

Ось движения агрегата

Подгорна [ д, .Л і Нагорная

сторона 1 сторона

Л гГ*

8 10

Ширина рассева м

Рисунок 9 - Распределение удобрений по ширине рассева на склоне 15°: 1 - с серийным рабочим органом; 2-е экспериментальным рабочим органом

чим органом, показала, что характер технологического процесса совпадает с теоретическими предпосылками.

С увеличением крутизны склона до 15° ширина распределения удобрений (рис. 11), внесенных машиной с экспериментальным рабочим органом, на подъем увеличивается на 8,5 %. Причем максимальное отклонение отмечено для более крутых склонов.

ЛГл

7,5 7 6,5 6 5,5 5

гТ ■ ■

V

— —

г —" а-.

1

2,5

7,5

10

12,5

м

1 ' N и—-г -

/

2

С

7,5

10

12,5

15

— теоретическое;---экспериментальное

Рисунок 11 — Зависимость ширины распределения минеральных удобрений от угла склона: 1 — на подъем; 2 — на спуск

— теоретическое;---экспериментальное

Рисунок 10 - Зависимость дальности полета частиц распределенных экспериментальным рабочим органом, от угла склона:

1 - на подъем; 2 - на спуск При увеличении угла склона до 15° ширина захвата в сторону наклона увеличивается в 1,5 раза в сравнении с серийным диском. Для рассматриваемого случая существенное влияние на ширину распределения оказывают конструктивные параметры рабочего органа, причем их влияние возрастает с увеличением угла склона. Исследования характера распределения удобрений вдоль линии выброса экспериментальным аппаратом показали, что с увеличением угла склона до 15° кривые распределения становятся более крутовершинными и смещаются вправо, но эксцессы и асимметрия не выходят за пределы, допускаемые законом нормального распределения.

Зависимости распределения минеральных удобрений от конструктивных параметров рабочего органа и склона адекватно описываются уравнением регрессии в натуральном виде:

Вр = 13,925 + 0,2905а - 0,4235/? + 0,02075а/?; (16)

где а - угол склона, град; /?- угол подъема винтовой поверхности, град.

Таким образом, проведенные нами сравнительные исследования работы центробежных аппаратов показали значительные преимущества предлагаемого рабочего органа перед серийным при работе на склонах.

Если рассматривать работу агрегата только с точки зрения устойчивости, то наиболее приемлема работа вдоль склона, что нередко применяют при использовании равнинных тракторов (рис. 12). Однако установлено, что работа агрегата вдоль склона обусловливает развитие эрозионных процессов, в связи с чем были внесены рекомендации о необходимости выполнения основных видов обработки почвы, посева и ухода за сельскохозяйственными культурами на выровненных и односторонних склонах только поперек склонов, а на двухсторонних и более сложных - контурно, в направлении горизонталей. При движении

агрегата вдоль склона кривые (2, 3, 4) с увеличением его угла кривые смещаются в сторону нагорной части.

Как показали исследования, различные виды удобрений по-разному влияют на их распределение при вне сении вверх и вниз по склону даже экспериментальным рабочим органом. Так, качество распределения гранулированного суперфосфата по сравнению с другими удобрениями во всех проведенных опытах высокое и неравномерность внесения ниже агротехнически допустимых значений (± 25 %).

Результаты испытаний экспериментального рабочего органа показали, что идеальной симметрии вдоль оси распределения при движении агрегата поперек склона не достигнуто. Как видно из графика (рис. 13), при внесении удобрения вниз по склону туки распределяются на большей длине и более равномерно, чем при метании удобрений вверх по склону. Однако эти расхождения не превышают агротехнических требований по неравномерности внесения удобрений на склоновых участках. Приведенные кривые в основном характерны для центробежных рабочих органов и подтверждают теоретические предпосылки распределения удобрений на склонах.

График неравномерности распределения смеси минеральных удобрений как в целом, так и по составляющим компонентам приведен на рис. 14. Как показали исследования, кривые распределения почти одинаковы как у отдельных компонентов, так и у полнокомпонентной смеси.

Рисунок 13 - Распределение удобрений вдоль Рисунок 14 - Зависимость распределения склона с крутизной 15°: полнокомпонентной смеси туков и состав-

1 - вниз по склону; 2 - вверх по склону ляющих се компонентов по ширине захвата

агрегата на склоне 15°: 1-гранулированный суперфосфат; 2-аммиачная селитра; 3-крупнокристаллический хлористый калий; 4- смесь N : Р : К

На основании полученных экспериментальных данных составлена и уточ-

Рисунок 12 - График изменения доз удобрений справа и слева от оси прохода агрегата: 1 - при 0°; 2 - при 5°; 3 - при 10°; 4 - при 15°

йена математнчсск-ая модель технологического процесса поверхностного внесения минеральных удобрении экспериментальным рабочим органом при внесении различных видов гранулированных минеральных удобрений.

1. Математическая модель технологического процесса поверхностного внесения в почву гранулированного суперфосфата при работе агрегата на склоне в раскодированном виде представлена зависимостью

Н = 38,7726 + 2,85281; - 1,00662а - 2.36804 Вр - l,0002va - 0,0166уЯр +

+1,0029аД,, - 0Д7661;2 - 0,2350а2 + 0,0705В2. ^ '

где V- скорость движения, км/ч; а — угол склона, град.; Вр- рабочая ширина захвата, м.

2. Математическая модель технологического процесса поверхностного внесения в почву полнокомпонентной смеси минеральных удобрений при работе агрегата на склоне в раскодированном виде представлена зависимостью

И = -166,6092 + 13,8532и + 0,22902а + 5,6154 Вр - 0,001561;« + 0,01376-

-0,0014аВр - 0.680091;2 - 0,00015а2 -0,12662В2. V^

3. Математическая модель поверхностного'внесения сложных минеральных удобрений при работе агрегата на склоне в раскодированном виде представлена зависимостью

Н = -75,1507 + 2,270491; + 0,16493а + 5,5465 Вр + 0,00204уа - 0,04502иВр -

—0,00111аВр — 0,08144v2 — 0,00028а2 — 0,11681В2. ^

4. Математическая модель поверхностного внесения аммиачной селитры при работе агрегата на склоне в раскодированном виде представлена зависимостью

Н = 39,7762 + 3,85281р - 0,00771а - 3,36804Вр - 0,000211;а - 0,01064уВр + .

+0,00195аВр — 0Д7231»2 — 0,00005а2 + 0,06051В2. ^ ^

Анализируя регрессионные математические модели поверхностного внесения минеральных удобрений, делаем вывод, что оптимальное значение поступательной скорости агрегата составит у=2,0-2,5 м/с, угловая скорость рабочего органа - £ус=82,5 с"'.

В пятой главе «Экономическая эффективность применения разбрасывателя минеральных удобрений» проведен расчет годового экономического эффекта при внедрении разбрасывателя с предлагаемым рабочим органом. Экономическую оценку серийного и экспериментального разбрасывателей проводили путем сравнения следующих технико-экономических показателей: часовой выработки, эксплуатационных издержек, капитальных вложений в расчете на единицу выполненной работы. Исходными данными для расчета были результаты работы разбрасывателей и нормативные данные. Годовой экономический эффект, от полученной дополнительной продукции, из-за внедрения разбрасывателя с оборудованным центробежным рабочим органом в средних дозах внесения удобрений на площади в 1 га составит 866,46 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ показал, что машины для поверхностного внесения минеральных удобрений не в полной мере удовлетворяют агротехническим требованиям по равномерности распределения туков на поверхности поля, особенно при работе на склоновых участках. Это приводит к

неравномерному развитию растений и снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

2. Определены аналитические зависимости технологического процесса истечения сыпучего материала по поверхности рабочего органа, которые служат целевой функцией оптимизации качества работы агрегата.

3. Предложена уточненная методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров рабочего органа и обоснованы параметры центробежного рабочего органа машин для внесения удобрений на склоновых участках. Диаметр диска И = 450 мм; высота конуса Л = 160 мм; угол образующей конуса а = 36°; диаметр основания конуса с1= 300 мм; число лопастей х = 4 шт.; высота лопасти о = 40 мм; угол подъема винтовой поверхности - 72° (патент № 112586).

4. Получена регрессионная математическая модель, адекватно описывающая процесс распределения по поверхности почвы частиц минеральных удобрений агрегатом с экспериментальным рабочим органом, учитывающая их гранулометрический состав и рельеф поля. Установлено, что технологический процесс поверхностного внесения минеральных удобрений выполняется устойчиво при поступательной скорости агрегата V = 2,0-2,5 м/с и угловой скорости рабочего органа <ос=82,5 с-1.

5. При данных конструктивных и кинематических параметрах экспериментального разбрасывателя, по сравнению с серийным, равномерность внесения гранулированного суперфосфата увеличилась на 6,0 %, аммиачной селитры - на 10 %, хлористого калия - на 7,5 %, сложных комплексных удобрений - на 8,5 % на ширине захвата 12-14 м при работе на склоновых участках. Снижение неравномерности внесения минеральных удобрений экспериментальным центробежным рабочим органом до приведенных выше значений обеспечивает повышение урожайности зеленой массы многолетних трав на 20 %, ячменя на 7 %. Ожидаемый годовой эффект от полученной дополнительной продукции на один переоборудованный разбрасыватель с разработанным центробежным рабочим органом при средних дозах внесения удобрений на площади в 1 га составит 866,46 руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Комбинированный агрегат работает на склоне/ А. Н. Седашкин, И. Н. Даськин, С. В. Червяков, А. Н. Тяпкин// Сельский механизатор. - 2010. -№ 9. - С. 14.

2. Седашкин А. Н. Агрегат для поверхностного внесения минеральных удобрений на склонах/ А. Н. Седашкин, Е. А. Седашкина, И. Н. Даськин // Тракторы и сельхозмашины. -

2012.-№ 10.-С. 10-11.

3. Седашкин А. Н. Неравномерность внесения удобрений при координатной системе земледелия/ А. Н. Седашкин, И. Н. Даськин, А. А. Костригин// Тракторы и сельхозмашины. -

2013.-№ 10.-С. 39-40.

Патенты

4. Пат. 95959 Российская Федерация, МПК А01С17/00. Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах/ А. Н. Седашкин, О. А. Ягин, А. Н. Тяпкин, И. Н. Даськин ; патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный

университет им. H. П. Огарева». -Л» 2010112086 ; заявл. 29.03.2010 ; опубл. 20.07.2010, Бюл. № 20. - 1 с. : ил.

5. Пат. 112586 Российская Федерация, МПК А01С17/00. Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах/ А. Н. Ссдашкин, И. Н. Даськин, С. В. Червяков, А. Н. Тяпкин ; патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева».-№ 2011124451 ; заявл. 16.06.2011 ; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2. - 1 е.: пл.

6. Пат. 131937 Российская Федерация, МПК А01С17/00. Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах/ А. Н. Ссдашкин, И. Н. Даськин, А. А. Костри-mu ; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».-№2012154876; заявл. 18.12.2012 ; опубл. 10.09.2013, Бюл. № 25. - I с. : ил.

Публикации к сборниках научных трудов и материалах конференций

7. Даськин И. Н. О качестве внесения минеральных удобрений на склоне/ И. Н. Даськин, Е. А. Ссдашкина, А. И. Ссдашкин// Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Всерос. науч.-тсхнич. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - С. 309 - 312.

8. Ссдашкин А. Н. Агрегат для'внесения удобрений lia склоне/ А. Н. Ссдашкин, А. Н. Тяпкин, И. Н. Даськин// Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Вссрос. науч.-техн. конф. — Саранск : Изд-во Мордов. унта, 2009. - С. 303 - 306.

9. Ссдашкин А. Н. К определению дальности полета частицы под углом к горизонтальной плоскости/ А. Н. Ссдашкин, Е. А. Ссдашкина, И. Н. Даськин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии м системы: материалы Мсждунар. науч.-практ. конф. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 44 - 48.

10. Ссдашкин А. Н. Пути улучшения условий работы разбрасывателя минеральных удобрений на склоне/ А. Н. Ссдашкин, Е. А. Ссдашкина, И. Н. Даськин// Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии н системы ; материалы Мсждунар. науч.-практ. конф. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 135- 139.

11. Ссдашкин А. Н. Рабочий орган для внесения минеральных удобрений на склонах/ А. Н. Ссдашкин, Е. А. Ссдашкина, И. Н. Даськин// Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : материалы Междун. науч.-практ. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012,-С. 139 - 142.

12. Ссдашкин А. Н. Влияние наклона центробежного рабочего органа на дальность полета частиц минеральных удобрений/ А. Н. Ссдашкин, И. Н. Даськин, А. А. Костригин// Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции : материалы IX Мсждунар. науч.-практ. конф., посвящ. 85-лстию со дня рождения и памяти проф. С. А. Лапшина : в 1 ч. - Саранск : Изд-во Мордов. унта, 2013.-Ч. 2.-С. 353 - 360.

13. Ссдашкин А. Н. Рациональные параметры рабочего органа для внесения минеральных удобрений на склоне/ А. Н. Ссдашкин, А. А. Костригин, И. Н. Даськин // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции ; материалы IX Мсждунар. науч.-практ. конф., посвящ. 85-лстию со дня рождения и памяти проф. С. А. Лапшина : в 2 ч. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2013. -Ч. 2.-С. 361-369.

14. Ссдашкина Е. А. Анализ факторов, влияющих на качество внесения минеральных удобрений на склоне/ Е. А. Ссдашкина, И. Н. Даськин, А. А. Костригин// Энсргоэффектив-ность технологий и средств механизации в АПК : материалы Мсждунар. науч.-практ. конф. -Саранск : Тип. [б. и.], 2011. - С. 43 -46.

15. Центробежный рабочий орган для внесения минеральных удобрений на склоне/ А. Н. Ссдашкин, Е. А. Ссдашкина, И. Н. Даськин, Н. А. Пакскин// Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : материалы Мсждунар. науч.-практ. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 227 - 231.

Подписано п печать 25.11.13. Объем 1,0 и. л. Тираж 150 экз. Заказ .№ 1677.

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»

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА СКЛОНАХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

04201451801

На правах рукописи

ДАСЬКИН ИВАН НИКОЛАЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Саранск 2013

?

19

29

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10

1.1 Влияние удобрений и способ их внесения на урожайность сельскохозяйственных культур

1.2 Издержки от некачественного внесения минеральных удобрений 14

1.3 Факторы, влияющие на работу машин с центробежными рабочими органами при внесении удобрений на склонах

1.4 Анализ теоретических исследований движения частиц удобрений по поверхности центробежного рабочего органа

1.5 Выводы и задачи исследования 38

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 40

2.1 Обоснование формы центробежного рабочего органа 40

2.2 Обоснование критической скорости вращения рабочего органа 52

2.3 Движение частицы тука по поверхности выбросной лопасти 55

2.4 Обоснование дальности полета частиц удобрений от рельефа поля 61

2.5 Методика технологического расчета центробежного аппарата для внесения минеральных удобрений на склонах

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Задачи экспериментальных исследований 76

3.2 Программа экспериментальных исследований 77

3.3 Методика экспериментальных исследований 77

3.3.1 Лабораторные исследования 77

3.3.2 Лабораторно-полевые исследования 79

3.3.3 Порядок проведения опытов 82

3.3.4 Методика обработки опытных данных 85

3.4 Планирование эксперимента при исследовании технологического процесса поверхностного распределения минеральных удобрений

69

76

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ АНАЛИЗ

4.1 Характеристика исходного материала 94

4.2 Зависимость неравномерности распределения удобрений от рабочей ширины рассева

4.3 Влияние склона на дальность полета минеральных удобрений 101

4.4 Распределение минеральных удобрений в зоне рассева 104

4.5 Математические модели неравномерности распределения удобрений на склоне

4.6 Влияние неравномерности распределения удобрений на величину урожая

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МАШИНЫ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕНИИ МИНЕ- 115 РАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА СКЛОНЕ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 124

ПРИЛОЖЕНИЯ 139

106

113

ВВЕДЕНИЕ

Земля - основное средство производства, самый дорогой капитал человечества, дающий людям все необходимое для существования. Чтобы этот источник жизни не иссяк, к нему надо относиться с величайшей бережливостью.

Несмотря на огромные размеры земельного фонда пашей страны, возможности его земледельческого использования весьма ограничены. В настоящее время сельскохозяйственные угодья составляют 27 %, а пашня немногим более 10 % всей территории [13]. Исходя из этого, в практике земледелия должны решаться вопросы интенсивного использования каждого гектара пахотно-пригодной земли.

Следовательно, сегодня и на ближайшую перспективу крупной проблемой земледелия и очень важным резервом в решении продовольственной программы является эффективное использование склоновых земель. За счет предотвращения эрозионных процессов и повышения их продуктивности можно увеличить производство всей сельскохозяйственной продукции минимум на 20-30%.

В общем развитии комплексной механизации склонового земледелия большое значение имеет механизация работ по внесению удобрений.

Наукой и практикой доказано, что не менее 40...50% прибавки урожая можно получить за счет внесения удобрений [38]. Рациональное и качественное внесение удобрений на склонах увеличивает урожайность пастбищ почти в два раза [49; 103; 129].

Актуальность темы. В нашей стране 58 % сельскохозяйственных угодий имеют расчлененный рельеф и расположены на склонах крутизной до 10°. Ежегодно с таких участков смывается большое количество плодородной земли, а вместе с ней и питательных веществ [54]. Эффективность минеральных удобрений на смытых почвах па 20-40 % выше, чем на не смытых, в связи с чем необходим дифференциальный подход к внесению удобрений.

В настоящее время на долю основного внесения приходится около 65 % объема минеральных удобрений [34]. В России и за рубежом наибольшее распространение для проведения этой операции получили машины с дисковыми центро-

бежными аппаратами [19; 52; 60]. Новая концепция привода и электронное управление разбрасывателей такого типа повышают точность и эффективность внесения удобрений. Однако бункер, заслонка, разбрасывающий диск и основной принцип работы почти не изменились. Недостатками разбрасывателей общего назначения являются большая неравномерность и асимметричность распределения удобрений на склонах, что приводит к снижению урожайности и качества продукции сельскохозяйственных культур. Поэтому задача совершенствования технологий и средств механизации для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоновых участках является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.

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

Степень разработанности темы. Существенный вклад в совершенствование конструкции и технологического процесса работы центробежного аппарата внесли отечественные и зарубежные ученые: П. М. Василенко, С. И. Назаров, В. А. Черноволов, Т. В. Румянцев, ТО. И. .Якимов, Б. Л. Кушилкин, М. Г. Догановский, В. В. Рядных, Н. И. Волошин, В. В. Адам-чук, В. С. Сергеев, В. П. Забродин, Н. М. Марченко, Г. И. Личман, А. Е. Ше-балкин, В. И. Якубаускас, А. А. Докучаев, Е. А. Губарев, А. Н. Седашкин и др. Благодаря им накоплен громадный теоретический и экспериментальный материал. Наиболее полно исследован технологический процесс работы таких центробежных аппаратов, у которых подача сыпучего материала осуществляется перпендикулярно к плоскости вращения диска поперек лопастей. Однако наблюдения за их работой показали, что этот вид подачи на диск далек от совершенства, особенно при внесении удобрений на склоновых участках. Основная причина заключается в том, что на технологический процесс работы

оказывает влияние целая группа факторов, таких как физико-механические свойства материала, технологические параметры дозирующего устройства, место подачи на лопасти диска и ряд других. Уменьшить их влияние можно за счет совершенствования конструкции центробежного рабочего органа и повышения эффективности его работы.

Цель исследования заключается в повышении эффективности процесса распределения минеральных удобрений путем разработки конструкции центробежного рабочего органа и обоснование его параметров и режимов работы на склоновых участках.

Объект исследования. Технологический процесс распределения туков с использованием предложенного центробежного рабочего органа машин для работы на склоновых участках при поверхностном внесении минеральных удобрений.

Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивных параметров и режимов работы предложенного рабочего органа на качественные показатели при внесении минеральных удобрений на склоновых участках.

Научная проблема заключается в повышении равномерности распределения минеральных удобрений центробежными дисковыми рабочими органами на склоновых участках.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Обоснование аналитических закономерностей для определения конструктивных параметров и режимов работы центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склоновых участках.

2. Методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склонах.

3. Конструкция центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоне, обеспечивающая равномерность их распределения согласно агротехническим требованиям.

4. Регрессионные математические модели, адекватно описывающие процесс распределения частиц минеральных удобрений рабочим органом по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава, особенностей конструкции рабочего органа и рельефа поля.

Научную новизну работы представляют:

1) закономерности истечения сыпучего материала вдоль поверхности рабочего органа от момента поступления до момента конечного схода без удара и разрушения гранул;

2) обобщенная методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склонах;

3) конструкция центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоне, обеспечивающая равномерность их распределения согласно агротехническим требованиям;

4) регрессионные математические модели, адекватно описывающие процесс распределения частиц минеральных удобрений рабочим органом по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава, особенностей конструкции рабочего органа и рельефа поля.

Практическую значимость работы представляют:

1) закономерности истечения сыпучего материала вдоль поверхности рабочего органа от момента поступления до момента конечного схода без удара и разрушения гранул;

2) методика расчета рациональных конструктивных и кинематических параметров центробежного рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений на склонах;

3) конструкция центробежного рабочего органа машин для поверхностного внесения минеральных удобрений на склоне, обеспечивающая равномерность их распределения согласно агротехническим требованиям.

Новизна технического решения подтверждена тремя патентами на полезные модели РФ: № 112586 («Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобре-

ний на склонах» от 20.01.2012 г.), № 95959 (« Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах»), № 131937 (« Рабочий орган для разбрасывания минеральных удобрений на склонах»);

4) регрессионные математические модели, адекватно описывающие процесс распределения частиц минеральных удобрений рабочим органом по поверхности почвы с учетом их гранулометрического состава и рельефа поля.

Методы исследования. Теоретические исследования движения частиц удобрений по поверхности рабочего органа, основанные на системе дифференциальных уравнений непрерывного схода частиц удобрений от момента поступления на рабочий орган до момента конечного их схода без удара и разрушения гранул. При проведении исследований использовались известные теоретические положения о закономерности движения сыпучих материалов и математический анализ. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и полевых условиях с использованием отраслевых и частных методик, действующих ГОСТов и ОСТов, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. Полученные результаты обрабатывались на ПЭВМ с применением современного программного обеспечения (в пакетах Microsoft Excel).

Реализация результатов исследования.

Разработанный центробежный рабочий орган внедрен в хозяйства СПССК «Агро-С» (с. Дубенки, Республика Мордовия) и КФХ «Саушкин А. Н.» (с. Чиндяново, Республика Мордовия) путем модернизации разбрасывателя для поверхностного внесения минеральных удобрений на склонах.

Личный вклад соискателя состоит в постановке научной проблемы, решении теоретических задач, получении и анализе результатов экспериментальных исследований и их интерпретации, написании научных статей и оформлении заявок на патенты и их реализации. При участии соискателя разработан и внедрен на предприятиях АПК новый центробежный рабочий орган для внесения минеральных удобрений.

Апробация результатов. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на ежегодных научных конференциях ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» (2010-2013); Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (2011); расширенном заседании кафедр сельскохозяйственных машин и основ конструирования механизмов и машин МГУ им. Н. П. Огарева; научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (2010-2013). Экспериментальный образец рабочего органа и рекомендации по переоборудованию серийных разбрасывателей минеральных удобрений демонстрировались на республиканских выставках.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, 9 работ в материалах международных конференций, получены 3 патента на полезные модели: № 112586, № 95959, № 131937.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Объем диссертации составляет 161 страницу машинописного текста, включая 6 таблиц и 31 рисунок. Список литературы составляет 145 наименований.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Влияние удобрений и способ их внесения на урожайность

сельскохозяйственных кульгур

Для каждой сельскохозяйственной культуры в конкретных природно-климатических условиях существует оптимальная доза внесения удобрений, соответствующая их максимальной окупаемости. Равномерное внесение удобрений по поверхности почвы — одно из условий, повышающих их эффективность и устраняющих пестроту урожая в пределах поля. Поэтому агротехническими требованиями [28] допускается неравномерность распределения удобрений по ширине захвата центробежного разбрасывателя не выше ± 25 %, по ходу движения агрегата - до ± 10 %. Такие же агротехнические требования предъявляются и при внесении минеральных удобрений на склонах. От характера распределения дозы по полю зависит средняя урожайность сельскохозяйственных культур. С ростом неравномерности внесения удобрений значительно ухудшается отзывчивость растений на удобрения.

Неравномерное внесение удобрений оказывает влияние на свойства урожая (снижает его технологические и биологические достоинства, способствует накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах), приводит к загрязнению окружающей среды. Доказано, что режим питания растений предопределяет такие технологические качества сельскохозяйственной продукции, как длина и крепость волокна льна, конопли, хлопчатника и других культур, содержание крахмала в картофеле, количество кислот в растительных жирах, содержание алкалоидов в лекарственных растениях. Неоднородность почвенного плодородия, обусловленная неравномерным распределением удобрений, часто является основной причиной полегания посевов зерновых колосовых культур даже при возделывании сравнительно устойчивых к полеганию сортов. По данным ВНИИТЭИСХ, потери от полегания хлебов выражаются прямыми потерями урожая зерна, в отдельные годы достигают 25-60 % [39]. Полегание затрудняет механизированную уборку

зерновых культур, снижает технологические свойства зерна, и, кроме того, полеглые растения сильнее поражаются болезнями.

По многолетним опытам ЦИНАО, проведенным в девяти областях страны, вследствие неравномерного внесения удобрений снижение биологической урожайности ярового ячменя, озимой и яровой пшеницы, сахарной свеклы, кукурузы и овса составляет более 13 %. Это обусловлено тем, что неравномерно удобренное поле представляет собой совокупность различных участков (пятен). Количество питательных веществ на этих участках колеблется около средней дозы внесения. Одни участки по отношению к этой дозе удобрены недостаточно, другие, наоборот, сверх меры. Растения на разных участках по-разному развиваются и в конечном итоге дают неодинаковую урожайность.

Анализ результатов исследований, приведенных в работах [7; 9; 19] показал, что потери урожая имеют различные значения. Это объясняется почвенными и климатическими разностями, а также применением различных доз и видов вносимых удобрений. Особенно это актуально для полей расположенных на склонах. Почвы склонов, как правило, отличаются той или иной степенью смытости и потерей плодородия. В связи с этим здесь необходим дифференциальный подход к