автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров ротационного орудия для поверхностной обработки почвы

На правах рукописи

ЯРУЛЛИН Фанис Фаридович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОГО ОРУДИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

2 9 АПР 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2015

005568322

005568322

Работа выполнена на кафедре эксплуатации машин и оборудования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Казанский ГАУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Валиев Айрат Расимович

Официальные оппоненты: Максимов Иван Иванович, доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой сельскохозяйственной техники ФГБОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Фархутдинов Ильдар Мавлиярович, кандидат технических наук, доцент кафедры строительно-дорожных, коммунальных и сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Защита состоится «9» июня 2015 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», ФГБОУ ВПО Казанский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ и на сайте http://www.bsau.ru/science/dissertation_council/d4/

Автореферат разослан «^»¿^^¿г^ 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Мударисов Салават Гумерович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейшее развитие отрасли растениеводства АПК основано на внедрении высокоэффективных наукоемких интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, обеспечивающих увеличение продуктивности пашни и получение экологически безопасной продукции с минимальными затратами материальных, трудовых и энергетических ресурсов.

Внедрение сберегающих технологий в земледелии предполагает различные варианты минимизации обработки почвы. Однако, на сегодняшний день технологии и технические средства для поверхностной обработки почвы являются достаточно энергоемкими и не в полной мере обеспечивают показатели качества выполнения технологического процесса.

В связи с этим, основной составляющей, при разработке новых почвообрабатывающих орудий, является высокая производительность при меньших затратах с сохранением или улучшением агротехнических показателей.

Поэтому повышение качества выполнения поверхностной обработки почвы путем обоснования конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающего орудия, является актуальной задачей, составляющей основу данного исследования. Государственный регистрационный номер темы научных исследований во ВНТИЦентре 01201371284.

Степень разработанности. Анализ известных теоретических исследований в области ротационных почвообрабатывающих орудий показал, что они не в полной мере позволяют определять рациональные конструктивно-технологические параметры орудий с новыми рабочими органами в форме усеченного конуса. Следовательно, создание математических моделей, описывающих взаимодействие новых ротационных рабочих органов с обрабатываемой почвой, обоснование рациональных значений конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающего орудия, обеспечивающих повышение качества поверхностной обработай почвы, является актуальной и практически значимой научной задачей.

Цель работы. Повышение качества поверхностной обработки почвы путем обоснования параметров и разработки орудия с ротационными рабочими органами.

Задачи исследования.

1. На основе анализа современных достижений науки и техники разработать конструктивно-технологическую схему почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами для поверхностной обработки почвы.

2. Провести теоретическое обоснование и определить рациональные значения основных конструктивно-технологических параметров ротационного почвообрабатывающего орудия.

3. Исследовать процесс взаимодействия ротационного рабочего органа с почвой и оценить качество обработки почвы.

4. Провести испытания почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами для поверхностной обработки почвы, определить экономическую и энергетическую эффективность его использования.

Объект исследований. Технологический процесс и техническое средство поверхностной обработки почвы.

Предмет исследований. Закономерности влияния конструктивно-технологических параметров ротационного орудия на качество поверхностной обработки почвы.

Методология и методика исследования. При выполнении диссертационной работы использовались стандартные методики с применением методов математического моделирования. Разработка математических моделей взаимодействия рабочего органа с почвой и последующие экспериментальные исследования были выполнены на основе планирования многофакторных экспериментов и регрессионного анализа опытных данных с использованием программ Б1а11511са и МаОаЬ.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

1. Аналитические зависимости, описывающие взаимодействие ротационного рабочего органа с почвой.

2. Теоретические зависимости, определяющие рациональное размещение ротационных рабочих органов на раме орудия.

3. Экспериментальные зависимости и модели регрессии, позволяющие определять рациональные значения технологических параметров ротационного почвообрабатывающего орудия.

4. Новые аналитические зависимости расчета тягового усилия ротационного рабочего органа.

Новизна технических решений подтверждена 6 патентами РФ на изобретение (№ 2400035, 2433582, 2442304) и полезные модели (№ 84179, 96313, 98857).

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Предложенные технические решения позволили существенно повысить качество поверхностной обработки почвы и снизить энергетические затраты на ее выполнение.

2. Полученные теоретические и экспериментальные закономерности имеют практическую значимость для конструкторских, технологических отделов и бюро машиностроительных предприятий при создании новых почвообрабатывающих рабочих органов и орудий.

3. Получены математические модели, позволяющие обосновать рациональные параметры ротационного рабочего органа.

4. Полученные результаты исследования переданы в Научно-техническое общество машиностроителей Республики Болгарии (г. София 2012 г.), в ООО «Ме-таллТехноСервис» и внедрены в крестьянском хозяйстве «Яна-Юл», а также в учебный процесс Казанского ГАУ.

Публикации. По материалам исследования опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 в рецензируемых научных изданиях, 3 патента РФ на изобретения и 3 патента на полезные модели.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Казанского ГАУ (2010...2014 гг.), Академии наук РТ (2010 г, 2012 г, 2013 г.), 8~ международной научно-практической конференции «Дни науки - 2012» в Чехии (г. Прага)

и включены в информационный бюллетень научно-технического союза по машиностроению Болгарии (г. София). В период с 2009 по 2012 гг. разработанное ротационное почвообрабатывающее орудие экспонировалось на международных специализированных выставках «АГРОКОМПЛЕКС: Интерагро. Анимед. Фермер Поволжья», где в номинации «Современная сельскохозяйственная техника и комплектующие к ней» награждено дипломами I, II, III степени. Изобретение «Рабочий орган почвообрабатывающего орудия» награждено дипломом Академии наук РТ и Республиканского совета общества изобретателей и рационализаторов РТ (2012 г.). С 2009 года ежегодно принимали участие на семинарах проводимых МСХ и П РТ. По теме диссертации выполнены НИОКР в рамках конкурсов «У.М.Н.И.К.» (госконтракт № 9983р/16814) и Старт-1 (госконтракт № 11987p / 21949) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 136 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 43 иллюстрации. Список литературы состоит из 149 наименований, из них 14 на иностранных языках.

Степень достоверности результатов. Обоснованность полученных результатов обусловлена корректным использованием математического аппарата и адекватностью разработанных моделей. Достоверность научных результатов и положений подтверждена экспериментальными исследованиями в лабораторных и производственных условиях. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований не менее 90% при погрешности опытов не более 5%.

Вклад автора в проведенное исследование. Предложена уточненная классификация ротационных рабочих органов почвообрабатывающих орудий. Разработана конструктивно-технологическая схема ротационного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы. Разработаны математические модели, позволяющие обосновать рациональные параметры почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами в форме усеченного конуса. Изготовлена лабораторная установка и опытный образец почвообрабатывающего орудия.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами.

2. Результаты теоретических исследований по обоснованию технологических и конструктивных параметров почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами.

3. Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами для поверхностной обработки почвы.

4. Технико-экономические и энергетические показатели работы почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, ее научная новизна и практическая значимость, приведена цель исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований», в результате проведенных патентных исследований и анализа отечественных и зарубежных литературных источников установлено, что на сегодняшний день наиболее перспективным направлением в создании сельскохозяйственных машин для поверхностной обработки почвы является разработка орудий, обеспечивающих качественную обработку почвы, на основе новых видов ротационных рабочих органов, которые позволяют снизить энергоемкость и повысить качество технологического процесса.

Основным преимуществом, по сравнению с пассивными рабочими органами, является то, что они менее энергоемкие. Это достигается за счет обеспечения ротационными рабочими органами скользящего резания пласта почвы.

Научной основой работ по созданию и совершенствованию почвообрабатывающих машин с ротационными рабочими органами являются труды Абдрахмано-ва Р.К., Акимова А.П., Бычкова В. В., Василенко П. М., Виноградова В. И., Гайна-нова Х.С., Горячкина В. П., Гринчука И. М, Гудкова А. Н., Давлетшина М.М., Да-лина А. Д., Желиговского В. А., Зенина JI. С., Канарева Ф. М., Кацыгина В. В., Курдюмова В.И., Кушнарева А. С., Мазитова Н.К., Макарова П. И., Максимова И.И., Мартынова В.М., Марченко О. С., Матяшина Ю. И., Медведева В. И., Муда-рисова С.Г., Новикова Ю. Ф.,Панова И. М., Подскребко М. Д., Рахимова P.C., Си-неокова Г. Н., Фархутдинова И.М., Чаткина М.Н., Юнусова Г.С., Яцука Е. П. и др.

Известно, что разрушение почвы деформацией растяжения обусловлено минимальными затратами энергии. Поэтому обработка почвы с минимальным расходом энергии может быть достигнута путем создания рабочих органов почвообрабатывающих машин, обеспечивающих разрушение связей между частицами почв с помощью деформации растяжения.

Во второй главе «Теоретические исследования и обоснование основных параметров ротационного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы» получена зависимость, для определения величины абсолютной скорости VM произвольной точки М:

vm = Jk2 + Vom ~ 2VeVoMsmu)tcosa + 2Ve VoMcosü)tsinasin/?, (1)

где Ve - скорость движения рабочего органа, м/с; VoM - окружная скорость рассматриваемой точки, м/с; cot - угол поворота, рад, рабочего органа за время t, с; а — угол атаки рабочего органа к направлению движения, рад; ß - угол наклона рабочего органа к вертикальной оси, рад.

Выражение, для определения ускорения ам произвольной точки М получено в виде:

JV¿m(üj cos оЛ cos а + со sin at sin a sin /?)2 + V*„ (wcos iotsin a — -wsin cot cos a sin/?)2 + V2Mco2sin2(i)t cos2/? .

Для анализа полученных графиков было выделены зоны, где происходит взаимодействие рабочего органа с обрабатываемой почвой (рисунок 1). Точка M¡, на поверхности рабочего органа с радиусом R¡, рад, определялась углом y0¡, рад.

y0¡ = arcsin (3)

где а - глубина хода рабочего органа, м; Ri - радиус произвольной точки М,-на рабочей поверхности, м;

П = 180 - 2Yoi. (4)

В выражении (4) и далее по тексту угловые величины представлены в градусах для удобства восприятия. Как видно из полученной зависимости значение данного угла зависит от угла наклона и глубины обработки почвы. При этом угол атаки не влияет на значение этого угла. Для анализа характера изменения взаимодействия рабочего органа с почвой по мере движения частиц почвы в продольном направлении построены графики, один из которых представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Влияние углов установки рабочего органа а и /? на абсолютную скорость произвольной точки на режущей кромке и в зоне схода пласта

Как видно из рисунка в зоне схода пласта рабочая поверхность рабочего органа значительно больше, чем в зоне входа. При этом скорость воздействия в зоне схода пласта всегда больше, чем в зоне входа. В свою очередь это будет способствовать созданию растягивающих напряжений в пласте почвы в продольном направлении. При этом большая разность скоростей наблюдается в зоне выглубле-ния из почвы.

Из графика также видно, что при больших значениях а происходит выравнивание скоростей точек на рабочей поверхности. Это уменьшает интенсивность воздействия рабочих органов на пласт почвы и может способствовать ухудшению ее крошения. Поэтому необходимо определить наиболее рациональные значения углов установки рабочего органа а и Д обеспечивающих лучшие качественные показатели и минимальное тяговое сопротивление.

На основе теоретического анализа графиков можно сделать вывод о том, что, для обеспечения крошения почвы за счет растягивающих деформаций значение углов а и¡1 должны быть в пределах соответственно: а = 30°,..40 и /9 = 25°...35°. Для

Рисунок 1 - К определению зоны взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой

проверки достоверности теоретического анализа и полученных выводов, а также более точного определения рациональных значений указанных углов необходимо провести экспериментальные исследования при различных почвенных условиях.

Основными параметрами взаимного расположения предложенных ротационных рабочих органов на раме орудия, определяющими его работоспособность и требуемое качество работы, являются: расстояние в поперечном направлении между смежными рабочим органами, расположенными в первом и во втором рядах, работающих в развал С/ ив свал м; расстояние между смежными рабочими органами, расположенными в одном ряду С?, м; расстояние между рядами рабочих органов в продольном направлении Ь, м. Для определения указанных параметров построены схемы ротационных рабочих органов в различных проекциях. Ширина захвата рабочего органа определяется с учетом угла его наклона к вертикали Для этого построили схемы представленные на рисунках 3 и 4, где а - глубина обработки почвы, а точка А на схеме соответствует крайней нижней точке соприкосновения лезвия режущей кромке рабочего органа с дном борозды.

Теоретические расчеты производили при максимальном значении угла /?. Такое положение рабочего органа получается в результате его наклона к вертикали относительно точки А до тех пор, пока крайняя нижняя образующая конуса АЯ не коснется дна борозды.

Рисунок 3 - Схема для определения ширины захвата рабочего органа с учетом угла /?

Рисунок 4 - Схема для определения расстояния С между смежными рабочими органами

Определено расстояние С) в поперечном направлении между смежными рабочим органами, работающих в развал и расположенными в первом и втором рядах:

г _ 2со$а^]НИг-созР—Н2-

61 ~ Т^Гр ■ (5)

Определено расстояние С2 в поперечном направлении между смежными рабочим органами, работающих в свал и расположенными в первом и втором рядах:

сох/3

(6)

Определено расстояние Сз между смежными рабочими органами, расположенными в одном ряду, которое равно сумме расстояний С1 и С2:

С, =

_ 4-cosay/2Rh- cosf¡-h2

cosp

(7)

Определено расстояние между рядами рабочих органов в продольном направлении L (рисунок 5):

в в sin.cc

L = a - tgip + Rsinp ■ cosa + fíeos/? •tg-• cosa — a - tg- cosa + a —g. (8)

Таким образом, по результатам исследований получены аналитические выражения (5), (6), (7), (8), которые позволяют определить рациональные значения основных параметров взаимного расположения ротационных рабочих органов на раме орудия. Полученные формулы устанавливают зависимость определяемых параметров от: геометрических размеров рабочих органов (радиуса режущей

кромки Я, угла конусности в, ширины к); технологических режимов работы орудия (глубины обработки а, угла атаки а, угла наклона к вертикали /?, высоты необработанного гребешка /г); физико-механических свойств обрабатываемой почвы (угол скалывания у/).

Для определения динамических показателей проектируемого рабочего органа, применен традиционный метод земледельческой механики, основанный на работах В.П. Горячкина. С учетом того, что исследование проводилось в почвенном канале с применением тензометрической стойки и без учета сопротивления опорных колес агрегата, необходимая сила тяги определялась с учетом дополнительных факторов, значений а и /? и их сочетаниями.

Определим составляющие сил, действующих на рабочий орган при а = уаг, ¡1 = \>аг (рисунок 6), где 7-Уяг - сила тяги, Н, Рс - равнодействующая сила, Н, Рг - радиальная сила, Н, Ри - нормальная сила, Н. Общую силу тяги, необходимую для перемещения ротационного рабочего органа с заданными конструктивными и технологическими характеристиками представляется в виде:

Ртяг=Рс+е5о2; (9)

Ре=8-к. (10)

Площадь сопротивления почвы 5, см2, определяется по следующему выражению:

2/£а1 ¿ЩЛ •Лчап 360 /_

Рисунок 5 — Схема для определения расстояния между рядами рабочих органов в продольном направлении Ь

S=l

(11)

Рисунок 6 - К определению составляющих сил, действующих на рабочий орган при а = уяг, /? = уаг

Таким образом, формула для определения силы тяги будет иметь следующий вид:

Ртяг = 8(к+еь2). (12)

Установка рабочего органа в положения, выходящие за пределы рациональных значений для его работоспособности, приво-

дит к появлению дополнительной площади сопротивления Бдоп- Для теоретической оценки влияния дополнительной площади сопротивления на тяговое усилие необходимо оценить количественно эту площадь для различных пространственных положений рабочего органа, т. е. установить зависимость вида $доп = /(«> Ю в зависимости от степени заглубления рабочего органа в почву. Кроме того, требуется установить, зависимость Рдоп — [($доп) '-

Рцоп = + £11'2)- (13)

Соответственно, суммарная необходимая сила тяги будет определяться как сумма сил сопротивления:

^общ = ^тяг + ^доп- (14)

Таким образом, единственным параметром, требующим идентификации, остается дополнительная площадь сопротивления Бдоп- Тогда, с учетом выражения (11), (13) и (14) имеем:

^общ = С* + +

(15)

Рисунок 7 - Проецирование с учетом глубины обработки

Для определения площади полученной фигуры воспользуемся методом Монте-Карло. На рисунке 7 представлены результаты проецирования с учетом глубины обработки почвы.

Обозначим через И; количество точек, принятых для испытаний (то есть попавших в прямоугольник вообще) и через N2 ~ количество точек, попавших в область, ограниченную фигурой. Тогда количество точек, попавших под кривую, по отношению к общему числу точек, пропорционально площади под кривой (величине интеграла) по отношению к площади испытуемого прямоугольника:

■$ДОП = ^прям ^ — £ (16)

где 3„рям — площадь прямоугольника.

В результате расчетов в математическом пакете Ма11аЬ было получено уравнение поверхности, описывающее количественно дополнительную площадь:

%>п(«</?) = 96,68 - 167,6а - 126,8/? + +137,2аг - 5,913а/? + 105,1 /?2. (17) Совместное решение выражений (11), (12), (17) позволило получить зависимость тягового усилия в зависимости от углов установки рабочего органа представленную на рисунке 8. Из графика видно, что минимумы потребного тя-

Ргяг. а

А град

а, град

Рисунок 8 - Зависимость тягового усилия от углов установки рабочего орудия

гового усилия устанавливаются для описывания режима на уровне 170 Н. Также установлено, что минимум потребного тягового усилия определяется для различных параметров процесса почвообработки регулировочными углами установки рабочего органа.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена общая программа и методика экспериментальных исследований, дается описание экспериментальной установки, методика обработки полученных результатов и организации проведения отдельных этапов исследований.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований ротационного почвообрабатывающего орудия для поверхностной обработки почвы» представлены основные результаты экспериментальных исследований.

Разработанная конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающего орудия представлена на рисунке 9. Технологический процесс работы почвообрабатывающего орудия происходит следующим образом.

При движении по полю каждый ротационный рабочий орган 2, закрепленный на ступицах 3 со спицами 4 с возможностью вращения, за счет углов а и а также в результате взаимодействия режущей кромки с поверхностью поля, проникает в почву на глубину обработки а и движется на этой глубине по направлению движения агрегата.

б)

а) общая схема, б) ротационный рабочий орган Рисунок 9 - Конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами

При этом в результате воздействия сил трения со стороны обрабатываемого слоя почвы на рабочую поверхность каждого ротационного рабочего органа 2 возникает крутящий момент, заставляющий их совершать вращательное движение. При этом получается скользящее резание почвы режущей кромкой, что способствует снижению тягового сопротивления орудия. При вращении ротационного рабочего органа 2 пласт почвы 1 отрезается на отдельные куски пластинчатыми ножами 5, вращаясь вместе с ними, поднимается на некоторую высоту и при падении

переворачивается. При этом происходит заделывание в почву части пожнивных остатков. Установленные за агрегатом сдвоенные ротационные бороны 6 производят более тщательное крошение почвенных комков и выравнивают поверхность поля. При этом в верхнем слое почвы создается мульчированный слой.

Для исследования тягового сопротивления рабочего органа при поверхностной обработке почвы был проведен активный эксперимент. Была поставлена задача установить функциональные зависимости тягового усилия FT#r и частоты вращения со рабочего органа:

Fmr =ср(а, ß); со =у/(а, ß). (18)

С учетом нелинейности искомых функциональных зависимостей был выбран следующий вид уравнений регрессии:

FTxr=b0+ Ъ, а + Ъ2 ß + Ь,2 а ß + Ь„ а2+ b22 ß2;

со=с0+ с, а + c2ß + с 12 aß + си а2+ с22ß2. '19'

Для определения коэффициентов регрессии был реализован полнофакторный эксперимент. Были построены уравнения регрессии для тягового усилия РТяг и частоты вращения со.

Для а=8 см получены следующие зависимости:

Гтяг =140,13 - 2,602 а - 3,55 ß + 0,03 «^+0,02 а2+ 0,04ß2; со=-13+ 0,46 а + 0,45 ß - 0,003 а ß - 0,004 а2- 0,005 ß2. (20>

Для а=10 см: Для а=12 см:

Fmr =169,67-2,61 а - 3,91 ß+ 0,031 аß + 0,022 а2+ 0,046 ß2; со=-4,97+ 0,32 а + 0,129 ß + 0,0004 аß - 0,0038 а2- 0,0024 ß2.

Гтяг =192,96- 2,438 а - 3,47 0 + 0,024 ар + 0,023 а2+ 0,04 /З2; «=-15,25+ 0,61 а + 0,57 р - 0,0009 ар - 0,0073 а2- 0,0064 р2. (2Т>

Для исследования поведения полученных функциональных зависимостей были построены их графические образы (рисунок 10). Характер изменения частоты вращения показан на рисунке 11.

СП 2 ЕЗ 1

Рисунок 10 - Зависимость тягового Рисунок 11 - Зависимость частоты

усилия Ггяг от углов аир при я = 8 см вращения со от углов а и р при а = 8 см.

После исследования функций было установлено, что минимум тягового усилия при, например, глубине обработки 8 см, обеспечивается при углах а = 44,

р = 28, а координаты при « = 48°, р = 25° дают максимум частоты вращения ротационного рабочего органа.

Как видно из рисунков 10 и 11 экстремальные точки по тяговому усилию и частоте вращения не совпадают. Окончательные значения искомых углов а и /? могут быть выбраны только в виде компромиссного варианта.

В этом случае, искомые значения а и /3 необходимо выбирать в области: при а= 8 см: 44 <а <48, 25 <Р <28; при а = 10 см: 39 <а <44, 30 < <31; при «=12 см: 34 <а <40, 33 < /? <37. Полученные результаты качественно не противоречат действительности и адекватно отражают происходящее. Количественные оценки зависят от геометрии ротационного рабочего органа.

При эксплуатации ротационного рабочего органа углы а и Р нужно менять в зависимости от условий обработки почвы. При осенней обработке почвы для уменьшения расхода топлива необходимо установить углы а и р так, чтобы обеспечивалось наименьшее тяговое усилие РТЯГ-

Весной, при подготовке поля к посевным работам, на первое место выходит качество обработки почвы, которое повышается при росте со. Следовательно, необходимо установить углы аир таким образом, чтобы обеспечить максимальную частоту вращения со.

Крошение почвы определялось при следующих расположениях рабочих органов: угол наклона Р=сопв^ угол а меняли от 20° до 40° с шагом 5°. В результате расчетов были получены следующие функции регрессии: для почвы размером фракции 0-10 мм: у = 22,5328 - 0,001 х2+ 0,213 Р\ для почвы размером фракции 10 - 20 мм: у = 13,9751 - 0,002 х2 + 0,428 /?; для почвы размером фракции 20 - 50 мм: у = 6,7117 - 0,004 х2+ 0,513 р.

По полученным моделям были построены графики степени крошения почвы в зависимости от угла атаки а и угла наклона р (рисунок 12).

Как видно из графика крошения почвы от углов аир:

Увеличение угла а всегда приводит к уменьшению доли частиц размером свыше 50 мм, что свидетельствует об улучшении условий крошения. Наилучшее крошение почвы при /?=30° достигается установкой угла а в значение 40° , при этом фракционный состав почвы следующий: 0...10 мм -29,2 %; 10...20 мм -26,9 %; 20...50 мм - 20,6 %. На основе данных, полученных в результате проведенных замеров высоты гребней и глубины борозд, определяли величину средне-квадратического отклонения этих величин.

В результате расчетов были получены следующие функции регрессии: для а = 20°: у = 104,0143 + 0,0514 х2- 3,0257 х; для а = 35°: у = 69,8 + 0,02 х2- 1,21 х; для а = 50°:^ = 61,37143 +0,0221 х2- 1,0935 х.

Рисунок 12 - Зависимость крошения почвы от углов акр

i 55^ у = 0,02х2*121к+69.8

о .............

а ........х-.....

1_ ...........

у = 0,0221х2-1,0935х+61.3714:

Ч»--о- -—

45 —----

20 25 30 35 Угол Д град.

Рисунок 13 - Зависимость гребнисто-сти поверхности поля к от углов а и /?

По полученным моделям были построены графики гребнистости поверхности поля (рисунок 13).

Таким образом, в результате исследований установлено, что увеличение угла атаки а приводит к снижению гребнистости поля и связано это с улучшением условий резания пласта почвы. На самом деле, резание пласта при малых значениях угла а происходит таким образом, что подрезанный пласт почвы проходит сквозь отверстие в рабочем органе в направлении, практически совпадающем с направлением движения орудия. Для углов а = 20...30° рациональное крошение почвы достигается установкой утла /? в положение, соответствующее 28.. .30°. В то же время, при а = 40° рациональное значение угла/? соответствует 23...25°. Наименьшая гребнистость (48 мм) обеспечивается при углах установки рабочих органов: а = 40°, = 28°.

Исследования по определению рациональных параметров взаимного расположения рабочих органов почвообрабатывающего орудия проводились при следующих значениях: угол атаки а = 40°, угол наклона к вертикали /? = 30°, диаметр ротационного рабочего органа В = 0,56 м, глубина обработки а = 0,12 м, ширина захвата почвообрабатывающего орудия С = 2,5 м. При этих параметрах значение максимального перекрытия рабочих органов в поперечном направлении работающих в развал Е/ и перекрытия рабочих органов работающих в свал Е2 будут равны 0,122 м и 0,196 м соответственно.

Экспериментально установлено, что наиболее рациональные значения перекрытия рабочих органов работающих в развал должны быть 0,12 м, а перекрытие рабочих органов, работающих в свал Ег равны 0,19 м. При данных установленных параметрах ротационные рабочие органы устойчиво вращаются, производят качественную обработку без забивания почвой и стерней.

Результаты производственных исследований показали что качество обработки почвы экспериметальным почвообрабатывающим орудием лучше, по степени крошения на 11,6% чем у орудия БДМ 2,8x3. При этом также уменьшается гребнистость поверхности поля с 5,7 до 4,8 см.

Рисунок 14 - Производственные испытания

В пятой главе «Экономическая эффективность использования почвообрабатывающего орудия» приведены результаты производственных испытаний и их анализ, а также расчет экономических показателей.

Полные энергозатраты при использовании почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами составляют 533,9 МДж/га. Годовая экономия за счет повышения качества обработки почвы, приводящее к увеличению урожайности сельскохозяйственных культур, составляет 39 800 руб, при этом годовой экономический эффект составил 86 600 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе анализа существующих конструкций отечественных и зарубежных почвообрабатывающих орудий разработан ротационный рабочий орган в форме усеченного конуса (патенты № 96313, 2400035, 2433582 РФ) и конструктивно -технологическая схема почвообрабатывающего орудия (патент № 84179, 98857, 2442304 РФ на изобретение).

2. Получены аналитические зависимости: для определения взаимного расположения ротационных рабочих органов на раме (5), (6), (7), (8), тягового усилия рабочего органа (15), уточнены аналитические зависимости (1), (2), описывающие процесс взаимодействия ротационного рабочего органа с почвой. Установлено что, для обеспечения крошения почвы за счет растягивающих деформаций значение углов а и р должны быть в пределах:а = 30 .. .40° и р = 25 .. .35 .

3. Обоснованы основные технологические параметры рабочих органов - угол атаки « и угол наклона к вертикали р. Для осенних полевых работ с глубиной обработки до 12 см, рекомендуются углы установки ротационного рабочего органа: а = 34° и р = 37°. Весной, при подготовке поля к посевным работам рекомендуются углы установки рабочего органа: а = 40° и р = 33°.

Обоснованы основные конструктивные параметры ротационного орудия. В частности определены расстояния:

- в поперечном направлении между смежными рабочими органами, в первом и во втором рядах, работающих в развал - С/= 0,26 м, ив свал - С2= 0,29 м;

- между смежными рабочими органами в одном ряду -Сз = 0,56 м;

- между рядами рабочих органов в продольном направлении - Ь = 0,55 м.

4. На основе экспериментальных данных установлено, что увеличение угла а всегда приводит к улучшению крошения почвы и снижению гребнистости поля. Высокая степень крошения почвы достигается при углах установки рабочего органа а = 40° и р = 30°. При углах атаки а = 30° требуемое качество крошения почвы обеспечивается при р = 28...30°, а при а = 20 , р = 23...25°. Наименьшая гребни-стость (48 мм) обеспечивается при углах установки рабочих органов а=40° и Р=28°.

5. Установлено, что качество обработки почвы по степени крошения разработанным почвообрабатывающим орудием выше на 11,6% по сравнению с дискатором БДМ 2,8x3. Полные энергозатраты при использовании почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами составили 533,9 МДж/га. Годовая экономия составила 39 800 руб, при этом годовой экономический эффект от внедрения почвообрабатывающего орудия с ротационными рабочими органами равен 86600 р.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Валнев, А.Р. Определение оптимальных параметров взаимного расположения конических рабочих органов на раме почвообрабатывающего орудия / А.Р. Валиев, Ф.Ф. Яруллин // Вестник Казанского ГАУ, - 2012. - № 3 (25). - С. 68-73.

2. Валиев, А.Р. Результаты экспериментальных исследований ротационного конического рабочего органа в почвенном канале / А.Р. Валиев, Ф.Ф. Яруллин, Р.И. Ибятов, Р.Р. Шириязданов // Вестник Казанского ГАУ,- 2014. - №3 (33). - С.78-85.

Публикации в других изданиях

3. Валиев, А.Р. Ротационный лущильник для мульчирующей обработки почвы / А.Р. Валиев, Ф.Ф. Яруллин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие агропромышленного комплекса». - Казань: изд-во Казанского ГАУ, 2009. - Т 76. - Часть 2. - С. 193-196.

4. Яруллин, Ф.Ф. Кинематика ротационного конического рабочего органа / Ф.Ф. Яруллин, А.Р. Валиев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Казань: изд. Казанского ГАУ, 2010. - Т 77. - Часть 2. - С. 304-308.

5. Яруллин, Ф.Ф. Комбинированное орудие для поверхностной мульчирующей обработки почвы с ротационными коническими рабочими органами / Ф.Ф. Яруллин, А.Р. Валиев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Казань: изд. Казанского ГАУ, 2010. - Т 77. - Часть 2. - С. 308-312.

6. Валиев, А.Р. Комбинированный почвообрабатывающий агрегат // А.Р. Валиев, Ф.Ф. Яруллин // Научно технически съюз по машиностроене. - София. Офис за технологичен трансфер, окгомври 2012. - С. 3-4.

7. Яруллин, Ф.Ф. Классификация ротационных рабочих органов почвообрабатывающих машин / Ф.Ф. Яруллин, А.Р. Валиев // Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы,- Казань: Изд. Казанского ГАУ, 2015. - С.131-137.

Патенты

8. Патент № 84179 РФ, МПК А01В 79/00. Лущильник ротационный / Валиев А.Р., Яруллин Ф.Ф. и др.; заявл. 24.03.2009; опубл, 10.07.2009, Бюл. № 19.

9. Патент № 96313 РФ, МПК 7 А01В 79/00. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия / Валиев А.Р., Макаров П.И., Яруллин Ф.Ф.; заявл. 22.03.2010; опубл. 27.07.2010, Бюл. №21.

10. Патент № 2400035 РФ, МПК 7 А 01 В 35/16. Лущильник ротационный / Валиев А.Р., Яруллин Ф.Ф., Макаров П.И., Сафиуллин Р.Г.; заявл. 26.03.2009; опубл. 27.09.2010, Бюл. №27.

11. Патент № 98857 РФ, МПК 7 А 01 В 49/00. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / Валиев А.Р., Макаров П.И., Яруллин Ф.Ф., Хамидуллин Н.Н.; заявл. 08.06.2010; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31.

12. Патент № 2433582 РФ, МПК 7 А 01 В 15/16, 23/06. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия / Валиев А.Р., Макаров П.И., Яруллин Ф.Ф., Хамидуллин Н.Н.; заявл. 29.03.2010; опубл. 20.11.2011, Бюл. № 32.

13. Патент № 2442304 РФ, МПК 7 А 01 В 79/02. Комбинированное почвообрабатывающее орудие / Валиев А.Р., Макаров П.И., Яруллин Ф.Ф., Хамидуллин Н.Н.; заявл. 01.06.2010; опубл. 20.02.2012, Бюл. № 5.

Подписано в печать 01. 04. 2015 г. Формат бумаги 60x84 Усл. печ. л. 1,00 Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Заказ 84. Тираж 100 экз. РИО ФГБОУ ВПО Казанский ГАУ, 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 65