автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение качества основной обработки почвы лемешными плугами

На правах рукописи

□□30ВЭ502

РАЗБЕЖКИН Николай Иванович - - • ------

Повышение качества основной обработки почвы лемешными плугами

Специальность 05 20 01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2007

003069502

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Защита состоится 24 мая 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета К 220 003 01 при ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу 450001, г Уфа, ул 50-лет Октября, 34

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

Автореферат разослан 23 апреля 2007 г и размещен на сайте http //www bsau ru 23 апреля 2007 г

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Мударисов Салават Гумерович

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Набиев Тухтамурод Сахобович

- кандидат технических наук Вахитов Наиль Усманович

Ведущая организация

- ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»

Ученый секретарь диссертационного совета

Мударисов С Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная обработка почвы лемешными плугами общего назначения является важным технологическим звеном в общей системе обработки почвы и возделывания сельскохозяйственных культур От качества выполнения технологического процесса основной обработки почвы во многом зависят физико-биологические и химические процессы, протекающие в пахотном и подпахотном горизонтах, количество последующих проходов орудий по полю, качество размещения семян в почве и тд, что в конечном итоге сказывается на урожайности возделываемых культур.

Лемешно-отвальные плуги, используемые в современной сельскохозяйственной практике, не полностью обеспечивают требования по качеству обработки По результатам полевых исследований установлено, что степень крошения почв при обработке плугами колеблется от 35 до 60% По результатам исследований Подскребко М Д известно, что при основной обработке почвы плугами общего назначения в период ее физической спелости в среднем только 20% обработанной площади поля удовлетворяют требованиям агротехники по степени крошения Дополнительные обработки поверхности пашни и многократные проходы тракторных агрегатов по полю вызывает нежелательное уплотнение и распыление пахотного слоя, нарушает его водно-воздушный обмен, значительно увеличивают общие затраты труда и энергии на обработку почвы

Сокращение количества проходов трактора по полю достигается применением комбинированных агрегатов, состоящих из плуга и других почвообрабатывающих орудий- зубовых борон, катков-комкодробителей и др Недостатком комбинированных агрегатов является высокая металлоемкость, большое тяговое сопротивление, низкая маневренность

Одним из способов повышения качества вспашки является использование специальных комбинированных рабочих органов, сочетающих пассивный корпус с дополнительным активным, рыхлящим органом Однако, такие рабочие органы потребляют значительную мощность на выполнение технологического процесса через вал отбора мощности и имеют неудовлетворительное качество оборота пласта

Современный уровень развития сельскохозяйственного производства требует создания более простых и эффективных рабочих органов для обеспечения заданного уровня качества выполнения технологического процесса обработки почвы Решение данной проблемы требует детального изучения процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, раскрытия внутренних процессов деформации, перемещения почвенных элементов и исследования влияния конструктивных параметров на качество об-

работки В связи с этим тема диссертации, направленная на решение этих задач, является актуальной и имеет народнохозяйственное значение.

Цель работы Повышение качества основной обработки почвы лемешными плугами путем совершенствования конструкции рабочего органа и обоснование его параметров, обеспечивающих заданные показатели качества выполнения технологического процесса вспашки

Объект исследования Технологический процесс взаимодействия рабочих органов лемешных плугов с почвой

Предмет исследования Закономерности взаимодействия рабочих органов с почвой при различных конструктивных и технологических параметрах рабочих органов

Научная новизна: - разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа с почвенной средой на основе сочетания уравнения динамики сплошной среды и критерия прочности Кулона-Мора, с учетом физико-механических свойств почвы,

- установлены закономерности влияния параметров среды и конструктивных параметров рабочего органа лемешного плуга на силовые и кинематические показатели,

- разработано устройство к рабочему органу лемешного плуга в виде дополнительного крошителя в верхней части отвала, обеспечивающее повышение качества вспашки, и обоснованы его рациональные конструктивные и технологические параметры

Новизна технических решений защищена тремя патентами на полезную модель

Практическая ценность. Определены пределы изменения конструктивных параметров рабочих органов, обеспечивающих выполнение аг-ротребований для различных условий работы Разработаны рекомендации по совершенствованию параметров рабочих органов лемешных плугов на основе установки дополнительного приспособления на крыле отвала для регулирования степени воздействия на почвенный пласт с целью получения крошения почвы в пределах агродопуска при минимально возможных значениях тягового сопротивления

Практическая значимость. Полученные и обоснованные параметры рабочих органов способствуют улучшению качества работы лемешных плугов при минимально возможном их тяговом сопротивлении и направлена на энерго- ресурсо- влагосбережение, что в конечном итоге обеспечивает повышение урожайности возделываемых культур

Работа выполнена согласно межведомственной координационной программе о фундаментальных и приоритетных прикладных исследова- ' ниях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001 .2005 г г «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производст-

ва» по направлению 02 01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства»

Внедрение результатов исследований Опытные образцы плуга с усовершенствованными рабочими органами использовались для основной обработки почвы на полях МУСП совхоз «Шемяк» Уфимского района Республики Башкортостан Теоретические исследования используются при изучении курса «Сельскохозяйственные машины» в ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

На защиту выносятся следующие научные положения.

• модель процесса взаимодействия рабочего органа плуга с почвенной средой;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению показателей качества выполнения технологического процесса вспашки,

• устройство к корпусу плуга для регулирования крошения почвы с обоснованными параметры

Апробация Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному комплексу» в 2005 2007 гг (Челябинский ГАУ, г Челябинск), на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном комплексе» в 2007 г (Башкирский ГАУ, г Уфа)

Публикации Материалы диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях и 3 патентах РФ

Структура и объем работы Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит введение, пять глав, выводы и рекомендации Список использованной литературы включает 133 наименования Диссертация включает 55 рисунков, 17 таблиц и 9 приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена анализу агротехнических требований, предъявляемых к основной обработке почвы, конструкций рабочих органов, технологического процесса и моделей почвенной среды Рассмотрены влияние параметров рабочих органов на качество выполнения технологического процесса ос-

новной обработки почвы, способы, повышающие качество работы существующих рабочих органов лемешно-отвальных плугов

Изучению процесса взаимодействия рабочих органов с почвой посвящены исследования многих ученых В П Горячкина, Л В.Гячева, Г Н Синеокова, А С Кушнарева, В И Виноградова, М Д Подскребко, В В Бледных, А П Иофинова, В А Лаврухина, Р С Рахимова, И М Панова, П Н Бурченко, В С Казакова, С Н Капова, А С Путрина, Г Л Утенкова, Ж Е Токушева, С Г Мударисова и других

Анализ этих исследований показал, что большинство авторов для математического описания почвенной среды используют различные модели, расчетные схемы воздействия рабочего органа на почву и критерии прочности В качестве модели почвы рассматриваются деформируемое твердое тело, упругая или сыпучая среда, а также сплошная деформируемая среда В качестве критериев прочности используют теорию наибольших нормальных напряжений Гапилея-Ренкина, теорию наибольших линейных деформаций Сен Венана - Мариотта, энергетическая теория прочности Губера - Мизеса — Генки, теорию наибольших касательных напряжений (гипотеза Треска), теорию прочности Кулона — Мора

В работах А С Кушнарева, И М Панова, В С Казакова, С.Н Капова, Ж Е Токушева, С Г Мударисова показана целесообразность использования в качестве реологической модели почвы сплошную деформируемую среду

Исследования В И Виноградова, М Д Подскребко, С Н Капова, позволили установить, что для песчаных и супесчаных почв в пределах их физической спелости характерен подъем пласта рабочим органом со сдвигом и, поэтому в качестве критерия прочности можно использовать теорию прочности Кулона - Мора Однако системы уравнений динамики, полученных на основе модели сплошной среды и приемлемого критерия прочности, описывающего механические свойства почвы и выраженных в одних и тех же неизвестных величинах, нет

На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования

1 Разработать модель процесса взаимодействия рабочего органа почвообрабатывающей машины с почвенной средой, с учетом физико-механических свойств почвы

2 Разработать устройство для повышения качества основной обработки почвы и изучить влияние конструктивных параметров рабочего органа лемешно-отвального плуга на показатели его работы

3 Обосновать и установить рациональные параметры рабочего органа лемешно-отвального плуга для качественного выполнения технологического процесса вспашки

4. Дать технико-экономическую оценку внедрения в производство конструктивных решений.

Во второй главе «Модель процесса взаимодействия рабочего органа с почвой» рассмотрен физический процесс деформации и разрушения почвенной среды, напряженно-деформированное состояние почвы при воздействии рабочих органов лемешно-отвальных плугов Показана последовательность описания и реализации модели процесса взаимодействия рабочего органа с почвой

Процесс взаимодействия рабочего органа с почвой и характер ее разрушения во многом обусловлены уровнем напряжений в деформируемой зоне Поверхность напряжения разрушения описывается общей математической формулой, содержащей определенные параметры. Значения этих параметров зависят от типа почвы, порозности, содержания влаги и т д Они позволяют установить предел прочности на сдвиг при конкретных почвенных условиях

Наиболее точное математическое описание поверхности предельного напряжения при сдвиге дает модель Мора - Кулона

Tf=c + antg(p, (1)

где т/- требуемое напряжение сдвига, Па; с - сила сцепления, приходящаяся на единицу площади, Па, ап - нормальное напряжение на плоскости разрушения, Па, (р- угол внутреннего трения

Величины с и tp зависят от механического состава почвы, содержания влаги, порозности и т п , следовательно, их можно рассматривать как свойства почвы. Согласно выражению (1), требуемое для разрушения напряжение сдвига увеличивается при возрастании нормального напряжения на плоскости разрушения При бесконечно большом напряжении а„ на плоскости разрушение по этой плоскости невозможно

На рисунке 1 направление ст2 перпендикулярно плоскости чертежа, следовательно, плоскость разрыва параллельна ст>, что подтверждается результатами опытов Виноградова В И и Подскребко М Д Если то <т2 влияет на положение плоскости разрыва Однако в первом приближении с и ф можно считать независящим от сг2.

Для показанной на рисунке 1 плоскости разрыва в момент разрушения величины Tf и сг„ можно выразить через прикладываемые напряжения О/ и сг2 Для этого рассмотрим равновесие сил, действующих на тело BCD Для удобства предположим, что ширина тела в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа равна единице Длина отрезка ВС обозначается L и характеризует также площадь наклонной стороны тела BCD Другие стороны имеют площадь CD~LsmQ и BD=Lcos& Умножением площадей на соответствующие компоненты на-

пряжения получим компоненты (составляющие) сил Приравнивая каждую сумму горизонтальных и вертикальных компонент сил к нулю, получим уравнения равновесия

¿crsin© - ¿reos© -a3L sin© = О, ¿CTCOS0 + Z,rsin0-<T,£cos© = О

Рисунок I - Разрушение почвенного массива при сдвиге Решив уравнения относительно г и сг, получим

ст = сг, cos2 Q + сг, sin2©, (2)

т = (сг, -cr3)sin©cos© (3)

Пользуясь этими выражениями (2 и 3), исключим из выражения (1) т/ и ст„ Полученное выражение соответствует связи между сг, и а> в момент разрушения

сг (sin©cos© +íg<psin2©)+c

сг, =—5--. /4)

sm©cos© -tg(pcos2 ©

В этой зависимости присутствует неизвестная величина - угол © Этот угол можно найти исходя из того, что плоскость разрыва образуется под таким углом ©, при котором величина сг, (при постоянных а}, с и <р) в соответствии с формулой (4) минимальна При возрастании нагрузки состояние разрушения наступает, прежде всего, на этой плоскости Обычно считается, что величина сг, при постоянных ст3, с и <р минимальна при

0 = 45° Подставляя эту величину в выражение (4), получим следующее уравнение

о". + ~<pj +2ctg^45° (5)

Геометрическое место точек, удовлетворяющих данной формуле, в пространстве с координатами — пирамида, ось которой есть диагональ в

пространстве, а вершина расположена вблизи начала координат. Необходимо отметить, что промежуточные основные напряжения не играют роли, и формула обычно дает больший предел прочности на сдвиг при более высоком уровне напряжения

Если почвенный пласт испытывает нагрузки а,, а2 и а3, то при данном состоянии напряжения среднее нормальное напряжение и максимальное касательное напряжение будет

о-и =-(о-,+о-2+сГз >

3

Гтвх =-(ст, -СТ3) 2

(6) (7)

Если ограничиться условием сг2=сг3, приведенные выше выражения можно записать следующим образом-

3 - (8)

4 2

(9)

Подстановкой этих выражений в формулу (5) получим закон Кулона, выраженный через гтах и сгт для случая ег2 =ег.

- + 45е Др 3 3 I 2

-1 + /Я2|45°+^(3

сг„ +2с 45° +-(3

(10)

В случае рассмотрения почвенной среды в виде сплошной деформируемой среды сгт определяется градиентом давления gradp, зоне, а касательное напряжениегтах, возникающее в деформируемой рабочим органом зоне, согласно выражению В С Казакова, определяется через ротор скоростей го1У

*тгх = кгГО(У, (11)

где кТ - эмпирический коэффициент, Па с Тогда выражение (10) можно записать в виде

(12)

Полученное выражение является условием прочности почвенной среды при взаимодействии с рабочим органом и содержит физико-механические свойства почвы Выражение (12) в таком виде можно добавить в систему уравнений динамики сплошной деформируемой среды, т к содержит одни и те же физические величины

Система уравнений в таком случае примет вид

81 дх ду дг

г " " р дг

где р, /л- плотность и вязкость среды, объемные силы, У2У1 - лапласиан скорости

Уравнение (13) представляет собой основное уравнение динамики почвенной среды в напряжениях.

Численное решение уравнений динамики сплошных сред требует четкой установки начальных и граничных условий

Граничное условие при движении твердого тела (рабочего органа) в среде должноы выполняться в области контакта с его поверхностью Оно может быть выражено из условия непроницаемости тела (условие твер-дотельности) Это условие заключается в том, что в любой точке, принадлежащей границе тела, перпендикулярная к поверхности составляющая скорости среды V, должна быть равной нулю

Граничное условие раздела среды и воздуха определяется равенством нулю давления на границе их разделения (р?,г0)

В качестве начальных условий необходимо задать значение скорости, плотности и давления за пределами зоны деформации.

Учитывая эти начальные и граничные условия, можно решить основное уравнение движения среды Граничные условия при решении задачи механического воздействия рабочих органов на почву являются описанием геометрических параметров рабочего органа и технологических параметров процесса обработки, начальные условия - описанием свойств среды

Полученную систему уравнений динамики почвенной среды (13) для задач технологического воздействия рабочих органов на почву можно решать конечно-разностным методом с помощью программного комплекса ПохуУшоп

В полученной модели в качестве исходных условий задаемся значениями плотности, вязкости, сцепления, внутреннего трения и скоростью перемещения среды Геометрические параметры рабочего органа определяются при отдельном построении в системе автоматизированного проектирования (САПР), поддерживающий систему твердотельного построения (САО/САМ-технологии)

На основе этой модели можно рассмотреть процесс взаимодействия рабочего органа со средой и получить объемную картину деформирова-

ния среды При расчете определяется значения скоростей частиц среды, распределение давлений в зоне деформации и непосредственно на рабочей поверхности, траектории движения частиц, а также значения сил и моментов, действующих на рабочий орган Для расчета можно изменять физические параметры среды, начальную скорость движения рабочего органа и его технологические параметры

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложены программа экспериментальных исследований и методики получения и подготовки исходных данных (свойств почвы, характеристики рельефа поверхности поля, засоренности), экспериментальных исследований тягового сопротивления рабочих органов, агротехнической оценки качества выполнения технологической операции вспашки

Лабораторные и полевые исследования были проведены согласно известным методикам с применением современной регистрирующей аппаратуры.

Для проведения лабораторных исследований спроектирована и изготовлена лабораторная установка, позволяющая замерить составляющие общего сопротивления рабочего органа Проведены сравнительные испытания рабочих органов плугов с усовершенствованными и стандартными рабочими органами

Полевые опыты проводились с корпусом плуга оборудованного дополнительным крошителем, установленные под разными углами наклона ко дну борозды и без них Установка для проведения полевых опытов представляет прицепную раму, на которой устанавливаются рабочие органы Агрегатирование производилось трактором МТЗ-82 через тензозве-но, позволяющее регистрировать тяговое сопротивление орудия

В четвертой главе «Результаты и анализ теоретических и экспериментальных исследований» приводятся результаты сравнительного силового анализа корпуса плуга, полученные в результате численного решения разработанной модели процесса взаимодействия рабочего органа с почвенной средой и натурных экспериментов на почвенном канале Произведено обоснование конструкции и параметров дополнительного приспособления для повышения качества вспашки, приведены результаты полевых опытов с усовершенствованными рабочими органами и произведен их анализ Приводятся результаты производственных испытаний плуга ПН-5-35 с усовершенствованными рабочими органами

Разработанная модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой на основе решения уравнений динамики сплошных сред позволяет получить пространственную картину сил и моментов При моделировании возникает необходимость определения физических параметров среды, при которых она наиболее близко описывала бы почву Для этого в процессе моделирования работы плужного корпуса были получены сило-

вые характеристики при различных состояниях среды- вязкости ¡л (рисунки 2 и 3), плотности р (рисунок 4) и рабочей скорости Ур (рисунок 5)

Рисунок 2 - Зависимость сил сопротивления от вязкости среды

Rj.H[ у « О 176S- * ЗСв 72 р = пура

их) lex)

Рисунок 3 - Зависимость направлений сил сопротивления от вязкости среды

Рисунок 4 - Зависимость сил--экспериментальные данные, —

сопротивления от плотности среды --- теоретические данные

Рисунок 5 - Зависимость сил сопротивления корпуса плуга от скорости рабочего органа

В реальных условиях угол v (u=arctg Ry/Rx) изменяется от 10° до 28° Такому диапазону соответствует среда с вязкостью 30 110 10 Па с (рисунок 3) Угол ly (v|/=arctg R2/Rx) в реальной почве изменяется в пределах + 12° Таким значениям соответствует среда с вязкостью 100 .300 10 Па с В поперечной плоскости сила R направлена под углом + 45-50°(^=arctg Rz/Ry) При изменении вязкости от 1 до 110 угол с, изменяется в небольших пределах (50-55°) С учетом реальной направленности сил сопротивления плужного корпуса по экспериментальным данным Панова И М , Виноградова В И , Подскребко М Д при моделировании необходимо принимать значения вязкости среды в пределах 100 110 10 Па с

Характер же изменения силовых характеристик плужного корпуса в зависимости от плотности не противоречит значениям, полученным исследователями в полевых условиях, поэтому плотность среды при моделировании должна быть равной плотности почвы (рисунок 4)

Скорость движения рабочего органа также влияет на составляющие сопротивления плужного корпуса Повышение скорости движения плуж-

ного корпуса Ур от 0,3 до 1 м/с приводит к увеличению составляющих Ях, и Яу (рисунок 5), при этом углы направленности сил и, Е, и коэффициенты ш= Лг/Ях и п= Я/ Ях изменяются незначительно

Параллельно с теоретическими исследованиями проводились лабораторные эксперименты с плужным корпусом на почвенном канале Результаты силового анализа корпуса плуга, полученные при моделировании, не противоречат данным, полученным в результате натурных экспериментов (рисунок 5) В результате сравнительного статистического анализа установлено, что разработанная нами модель для определения силовых характеристик рабочих органов лемешных плугов адекватна по критерию Фишера на уровне значимости 5%

Таким образом, на основе модели, где почва описывается в виде сплошной деформируемой среды, с учетом критерия прочности можно проводить силовой анализ рабочих органов почвообрабатывающих машин Предлагаемый инструмент облегчит процесс разработки новых рабочих органов и позволит выбрать оптимальные их конструктивные и технологические параметры на предварительном этапе проектирования с помощью компьютерного моделирования

Анализ процесса взаимодействия плужного корпуса на основе разработанной модели показал, что наиболее нагруженным участком является область, лежащая перед лемехом Далее по мере продвижения почвенного пласта по корпусу происходит снижение давления на пласт и некоторое увеличение перед грудью и крылом отвала В этих зонах происходит увеличение деформаций, способствующих изменению объема и сдвигу, что в конечном итоге ведет к крошению почвы

Увеличение напряжений в нижней части пласта перед лемехом ведет к деформациям сжатия, и как следствие, к уплотнению почвы и образованию плотного ядра Сопоставление распределения напряжений в деформированной почвенной среде, давлений на рабочей поверхности корпуса плуга и траекторий почвенных элементов по поверхности рабочего органа, полученные на основе разработанной модели, позволили установить, что образование уплотненных глыб происходит в большей степени перед носком лемеха, а дальнейший их путь проходит по средней части крыла отвала Чтобы сохранить высокую степень крошения в широком диапазоне скоростей движения, в различных почвенных условиях, необходимо определенным образом менять параметры отвальной поверхности Наиболее простым и доступным решением данной проблемы на наш взгляд является установка дополнительного крошителя 3 на крыле отвала 2 (рисунок 6) Возможность регулирования положения (углов установки) крошителя по рабочей поверхности отвала позволит управлять процессом оборота пласта и качеством крошения почвы

Для определения места установки, оптимальных положений и геометрических форм дополнительного приспособления необходимо рас-

смотреть процесс взаимодействия предложенного рабочего органа с почвенной средой на основе разработанной модели.

1 — лемех, 2 - отвал, 3 — дополнительный крошитель, 4 - регулировочный паз Рисунок 6 - Корпус плуга с дополнительным крошитглем

Разработанная модель процесса взаимодействия рабочего органа с почвенной средой позволила установить, что степень воздействия на пласт почвы корпусом плуга зависит от наличия дополнительного кроши-теля и угла его установки (рисунок 7). Давление, оказываемое на почву рабочим органом, имеет минимум при углах установки ножа в диапазоне 10и...15°. За пределами этих значений давление на почву возрастает. Исходя из этого, можно сказать, что изменение положения дополнительного ножа будет менять степень воздействия рабочего органа на пласт и, соответственно, степень крошения почвы. Тяговое сопротивление рабочего органа с дополнительным приспособлением имеет минимум при угле установки 15°(рисунок 8).

ТТГ

30 40.

Рисунок 7 - Зависимости давления Рисунок 8 - Зависимость сил

на почву от угла установки сопротивления от угла установки

дополнительного крошителя дополнительного крошителя

Лабораторно-полевые эксперименты с разработанным рабочим органом показали, что установка дополнительных крошителей на отвале и изменение углов их установки Ар влияет на качества обработки почвы.

По результатам проведенных экспериментов установлено, что во всех случаях с дополнительным крошителем степень крошения почвы К выше в среднем на 16 46 % , а глыбистость пашни Н меньше в среднем на 10 .50 % по сравнению с участками вспаханными плугом без дополнительных приспособлений (рисунок 9) Максимальная степень крошения почвы около 60% наблюдается при установке крошителя под углом 30° ко дну борозды, а минимальная глыбистость пашни Н=20,78% - при установке крошителя под углом 30° ко дну борозды. При углах установки крошителя 0 и 45° степень крошения ниже, а глыбистость больше, чем при углах 15° и 30° (рисунок 9)

Изменение положения ножа на 15° в пределах регулирования от 0 до 15° увеличивает степень крошения почвы в среднем на 4 7 %, уменьшает глыбистость пашни более чем на 20% (рисунок 9), а уменьшение угла от 45° до 30° увеличивает степень крошения уже на 25% и уменьшает глыбистость до 40%

Характер изменения тягового сопротивления зависит от угла наклона крошителя (рисунок 10) Их значения имеют определенный минимум в диапазоне установки АД=15° 30°, что соответствует теоретическим значениям (рисунок 8)

--степени крошения К, --глубина хода 20 см,

----глыбистость Н ----глубина хода 25 см,

Рисунок 9 - Зависимость степени -----глубина хода 30 см

крошения К и глыбистости Н от Рисунок 10 - Зависимость тягового угла наклона ЛР крошителя сопротивления Я от угла наклона ЛР

крошителя

Для определения положения дополнительного крошителя в качестве сравнительного показателя были приняты значения удельного сопротивления почвы при вспашке к На рисунке 11 представлены зависимости удельного сопротивления от высоты установки крошителя /г относительно поверхности поля (рисунок 6) Значения удельного сопротивления имеют определенный максимум при высоте установки И =-50 мм (рису-

нок 11) Однако, дальнейшее уменьшение высоты установки к до -100 мм снижает и степень крошения почвы Высокое качество обработки почвы по степени крошения наблюдается, когда крошитель установлен на уровне поверхности поля (И =0)

На основе полевых опытов можно установить, что для уменьшения удельного сопротивления почвы при вспашке и увеличения степени крошения при использовании предлагаемых дополнительных крошителей их необходимо устанавливать за пределами вырезаемого пласта почвы расстояние от бороздного обреза до крошителя должно быть равно ширине захвата корпуса (ЬК=Ь), высота установки — должна быть равной средней глубине обработки (Н^а^)

В целях устранения задирания крошителем обработанного пласта он не должен в крайнем нижнем положении (Д0=О) выходить за пределы бороздного обреза корпуса При рекомендованных параметрах установки крошителя (Ьк, Нк) его длина /к должна составлять 170 200 мм

Испытания экспериментального плуга ПН-5-35 с установленными дополнительными крошителями производилось на полях МУСП совхоз «Шемяк» Уфимского района Республики Башкортостан, согласно СТО АИСТ 4 1-2004 «Машины и орудия для глубокой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей»

Почва опытного участка - выщелоченный чернозем среднесуглини-стого механического состава, рельеф поля — ровный, микрорельеф — сред-невыраженный, количество стерни - 310 шт/м2, количество сорных растений - 29,6 шт /м2, высота стерни - 18,6 см, средняя влажность почвы -22,13 %, средняя твердость почвы - 5,77 мПа

Проведенные эксперименты показали, что установка дополнительных крошителей существенно влияет на агротехнические показатели вспашки Так, при работе с дополнительными приспособлениями крошение более чем на 50% выше, а глыбистость пашни более чем на 60% меньше по сравнению с обычным плугом (рисунок 12) Степень крошения почвы при установке крошителя под углом 20° доходит до 75%, а без дополнительного приспособления всего лишь 40,44% (рисунок 12) Наибольший эффект от дополнительных крошителей наблюдается в диапазоне регулирования угла установки АР= 10° 20° Уменьшение и увеличение угла их установки за пределами этого диапазона снижает показатели качества выполнения технологического процесса вспашки, и как показали предварительные лабораторно-полевые эксперименты, повышают тяговое сопротивление орудия (рисунок 10)

Увеличение угла наклона Др дополнительного крошителя на 10° от горизонтального положения повышает степень крошения почвы на 3%, а на 20° - уже на 9% (рисунок 12) Дальнейшее повышение угла наклона ДР в некоторой степени снижает степень крошения почвы Таким образом,

изменение положения ножа на 10° в пределах регулирования от 0 до 20° увеличивает степень крошения почвы в среднем на 3 9%, уменьшает глыбистость пашни в среднем на 15%

1 = -0 0219»'

0 6687л+ 67 563

-05075К+ 153

ЛР

--лр=о,---

Рисунок 12 - Зависимость степени крошения К, глыбистости Н от угла наклона крошителяЛР

Рисунок 11 — Зависимость удельного сопротивления к и степени крошения почвы К от высоты И установки крошителя

Качество оборота пласта и заделка растительных, пожнивных остатков становиться лучше при установке дополнительного крошителя на поверхности отвала Любое сочетание угла установки крошителя дает удовлетворительное качество заделки растительных остатков и оборота пласта

Эксперименты показали, что наличие и изменение положения дополнительного крошителя влияет также на выравненность поверхности пашни и устойчивость хода плуга При этом поверхность пашни становится более выровненной и слитной

Для определения предельных углов наклона крошителя на основе модели Зене было получено условие, соответствующее началу сгружива-ния почвы впереди клина и прекращению движений пласта по поверхности ножа'

>у I tg{hp +<5),

(13)

где егвр- временное сопротивление почвы сжатию, Па, у — плотность почвы, кг/м3, / - длина крошителя, м, Ар - угол наклона крошителя, 5 — угол трения почвы о сталь

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить максимально возможные пределы регулирования угла постановки дополнительного крошителя Этот угол должен регулироваться для всех типов почв в следующих пределах для тяжелосуглинистых почв 0° 30°, суглинистых 0° .27°, легкосуглинистых 0° 30°, супесчаных 3° 27°, песчаных 0 30° при дальнейшей корректировке с учетом экономического эффекта от повышения качества обработки почвы

Производственные испытания усовершенствованного плуга показали, что наилучшие показатели качества выполнения технологического процесса вспашки наблюдаются при углах установки дополнительных крошителей Лр= 10°. 20° При этом выполняются все требования по качеству вспашки (по крошению, по заделке растительных остатков, греб-нистости) Таким образом, плуг, с дополнительными крошителями на рабочей поверхности при углах установки 4#=10° 20° обеспечивает выполнение агротехнических требований по основной обработке выщелоченного чернозема среднесуглинистого механического состава, что привело к увеличению урожайности картофеля на 6,2 ц/га При изменении исходного состояния почвы необходимо корректировать положение дополнительных устройств

В пятой главе «Рекомендации производству н экономическая эффективность» приводятся рекомендации производству по дальнейшему совершенствованию рабочих органов почвообрабатывающих машин в целях повышения их качества работы и оценка экономической эффективности лемешного плуга ПН-4-35 оборудованного разработанными корпусами

Результаты технико-экономических расчетов показали, что экономическая эффективность внедрения усовершенствованных рабочих органов корпуса плуга определяется при углах установки дополнительных крошителей от 10° до 25° ко дну борозды Остальные комбинации либо не обеспечивают требуемого для прибавки урожая степени крошения почвы, либо имеют повышенное тяговое сопротивление, уменьшая тем самым производительность агрегата и увеличивая эксплуатационные затраты.

Внедрение плуга с усовершенствованным корпусом при возделывании картофеля обеспечивает экономический эффект в сумме до 600 руб /га при установке дополнительных крошителей под углом 10 25° ко дну борозды При таких углах установки дополнительных крошителей, согласно теоретическим расчетам не будет происходить залипание рабочих органов для всех типов почв в диапазоне влажности ее физической спелости

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана модель процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвенной средой как система уравнений динамики почвенной среды и уравнения прочности, полученная на основе критерия прочности Кулона-Мора Установлены начальные условия функционирования модели, связанные с физико-механическими свойствами почвенной среды, и граничные условия, связанные с конструктивными параметрами рабочих органов и технологическими параметрами

процесса обработки Предложено численное решение разработанной модели на основе реализации конечно-разностного метода

2. Установлены закономерности влияния параметров среды на силовые характеристики корпуса плуга и определены значения вязкости и плотности сплошной деформируемой среды, при которых результаты моделирования технологического процесса взаимодействия рабочего органа с почвенной средой соответствуют реальным значениям сил вязкость среды 1000 1200 Пас, плотность среды равна плотности почвы На основе разработанной модели установлены закономерности взаимодействия корпуса плуга с почвой, движения почвы по рабочей поверхности и силовые характеристики ,

3 По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана и обоснована конструкция рабочего органа лемешного плуга, позволяющая повысить качество основной обработки почвы, в виде дополнительного регулируемого крошителя в верхней части отвала (патент №56106 РФ), устанавливаемый за пределами вырезаемого пласта почвы расстояние от полевого обреза до крошителя должно быть равно ширине захвата корпуса (Ьк-Ь), высота установки - должна быть равной средней глубине обработки (Н^а^), а его длина /к= 170 200 мм Получена аналитическая зависимость для определения пределов регулирования положения крошителя, согласно которой регулирование угла его установки для всех типов почв должно производиться в пределах 3 27° относительно дна борозды

4 Установлено, что регулирование положения дополнительного крошителя позволяет влиять на качество обработки почвы изменение угла установки дополнительного крошителя на 10° ведет к изменению степени крошения в среднем на 3 9%

5 Установлены агротехнические показатели работы лемешного плуга с усовершенствованным рабочим органом степень крошения до 75%, глыбистость - не более 7%, высота гребней — не более 45 мм, что соответствует агротехническим требованиям

6 Результаты выполненных исследований и предложенных технических решений внедрены в МУСП совхоз «Шемяк» Уфимского района Республики Башкортостан Внедрение плуга с усовершенствованным корпусом при возделывании картофеля обеспечивает экономический эффект в сумме до 600 руб /га при установке дополнительных крошителей под углом 10 25° ко дну борозды

)

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Разбежкин H И Рабочие органы меняют лицо / Мударисов С Г, Разбеж-кин НИ// Сельский механизатор, 2005, №6, с 36

2 Разбежкин H И Моделирование процесса взаимодействия рабочих органов с почвой / Мударисов С Г, Разбежкин НИ // Сб статей науч -практ конф «Наука и образование аграрному производству» - Екатеринбург Уральская ГСХА, 2005, с 96-101.

3 Разбежкин H И Моделирование процесса работы плужного корпуса / Мударисов С Г., Разбежкин НИ // Сб статей междунар науч -практ конф «Основные итоги и приоритеты научного обеспечения АПК Евро-Северо-Востока» -Киров ГУ НИИСХСеверо-Востока, 2005, с 145-149

4 Патент на полезную модель 48691 РФ, А 01 С 7/20 Лаповый сошник / С В Стоян, С Г Мударисов, Р С Рахимов, С П Алабугин, 3 С Рахимов, И.Р Рахимов, НИ. Разбежкин (Россия) - № 2005118506/22, Заявлено 14 06 2005, Опубл 10 11 2005, Бюл №31

5 Патент на полезную модель 53100 РФ, А01В 35/26 Рабочий орган плоскореза-рыхлителя / С В Стоян, С Г Мударисов, Р С Рахимов, С.П Алабугин, ЗС Рахимов, И Р. Рахимов, H И Разбежкин (Россия) -№ 2005118505/22; Заявлено 14 06 2005 Опубл 10 05 2006 Бюл. №13

6 Патент на полезную модель 56106 РФ, А01В 15/08 Корпус плуга / С В Стоян, С Г Мударисов, Р С Рахимов, С П Алабугин, 3 С Рахимов, И Р Рахимов, НИ Разбежкин, Ш M Султанов (Россия) -№ 2006104151/22, Заявлено 10 02 2006 Опубл 10 09 2006 Бюл №25

7 Разбежкин H И Моделирование процесса износа корпуса плуга / Мударисов С Г, Рахимов И Р, Разбежкин НИ// Достижения науки и техники АПК, 2006, №5, с 42-43

8 Разбежкин H И Результаты производственных испытаний лемешного плуга // Материалы XLII науч -техн конф 4 2/ Челяб roc агроинж ун-т -Челябинск, 2007, с 264-267.

Лицензия РБ на издательскую деятельность № 0261 от 10 апреля 1998 г Лицензия на полиграфическую деятельность №6848366 от 21 июня 2000 г Подписано в печать 20 апреля 2007 г Формат 60x84 Бумага полиграфическая Гарнитура Тайме Уел печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ №>¿9$ Издательство Башкирского государственного аграрного университета Типография Башкирского государственного аграрного университета Адрес издательства и типографии 450001, г Уфа, ул 50 лет Октября, 34