автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка противоэрозионных технологий и технических средств обработки почвы и посева на склоновых агроландшафтах

На правах рукописи

РАХИМОВ Зиннур Саетович

РАЗРАБОТКА ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ПОСЕВА НА СКЛОНОВЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

IО ФЕЗ 2014 005545212

Уфа-2013

005545212

Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ).

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Мударисов Салават Гумерович

Официальные оппоненты: Еникеев Виль Гумерович, доктор технических

наук, профессор, профессор кафедры вычислительной техники и информационного обеспечения в АПК ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Окунев Геннадии Андреевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Максимов Иван Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации сельскохозяйственной техники ФГБОУ ВГ10 «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт

механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии)

Защита состоится 1 ¡апреля 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 на базе ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д.34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан « /*Р » ^се-^/хг*-^ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мударисов Салават Гумерович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сохранение почвы от деградации остается важнейшей проблемой сельскохозяйственного производства. Особенно сильно проявляется деградация почв на склоновых агроландшафтах.

В Республике Башкортостан 30,5 % пашни расположены на склонах более 3°, что приводит к ежегодным потерям почвы со склонов из-за водной эрозии в среднем около 10 т/га. ГТри этом вместе с почвой с одного гектара уносится 30...50 кг азота, 10...20 кг фосфора, 20...30 кг подвижного калия и 300...500 кг гумуса, что намного больше вносимых объемов элементов в виде органических и минеральных удобрений.

Кроме того, при работе почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах при каждой обработке происходит сталкивание почвы рабочими органами вниз по склону. Это приводит к механической эрозии и потере с верхних частей склонов гумуса и плодородного слоя. Уклон поля к тому же ведет к нарушению стабильности выполнения технологического процесса как обработки почвы, так и посева. Так, изменение положения рамы почвооб-рабатывающе-посевной машины в зависимости от уклона поля ведет к повышению неравномерности распределения семян по рядкам и к нарушению процесса закрытия борозд слоем почвы.

В настоящее время борьба с деградацией почвы проводится в основном лишь путем корректировки технологий возделывания сельскохозяйственных культур и направления движения агрегатов по склону, а технические средства разрабатываются для работы на равнинных агроландшафтах.

Поэтому технические средства и технологии возделывания сельскохозяйственных культур требуют дальнейшего совершенствования для применения на склонах. Однако до настоящего времени не раскрыты технологические основы возникновения механической эрозии и внутренние механизмы технологических процессов, ведущие к нарушению стабильности выполнения технологического процесса обработки почвы и посева на склонах, что затрудняет выбор конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин и технологий обработки.

В связи вышеизложенным выдвинута научная гипотеза о том, что снижение эрозионных процессов почвы при возделывании сельскохозяйственных культур на склоновых агроландшафтах возможно не только за счет использования специальных технологических приемов обработки почвы и посева, но и за счет изменения конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.

Тогда возникает научная проблема, которая заключается в раскрытии механико-технологических основ эрозионных процессов в почве для обоснования технологических приемов, конструктивных схем и параметров почвообрабатывающих и посевных машин для повышения эффективности возделывания сельскохозяйственных культур и снижения эрозии на склоновых агроландшафтах.

Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательскими программами на 2007...2010 гг. «Разработка современных технологий и технических средств для возделывания сельскохозяйственных культур» (Per. № И081205111557) и на 2010...2013 гг. «Повышение качества выполнения технологических операций на основе совершенствования рабочих органов сельскохозяйственных машин» (Per. № 01.2010.58947) на кафедре сельскохозяйственных машин ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Степень разработанности темы. Возделывание сельскохозяйственных культур на склоновых агроландшафтах имеет свои особенности. Во-первых, возникает водная эрозия. Эта проблема в научном плане решена, однако каждая природно-климатическая зона требует уточнения предлагаемых мероприятий. Во-вторых, возникает механическая эрозия. Эта проблема тоже известна, однако ее исследованием только начинают заниматься на примере отвальной вспашки. Однако теоретические положения по обоснованию процесса возникновения и протекания механической эрозии отсутствует. В третьих, на склонах ухудшается качество выполнения технологического процесса обработки почвы и посева. Особенно сильно влияет крутизна склона на равномерность высева семян по сошникам. Хотя теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию параметров почвообрабатывающих и посевных машин много, в них не учитывается влияние склона на стабильность протекания технологического процесса.

Цель исследований: повышение эффективности возделывания зерновых и пропашных культур и снижение эрозий почвы на склоновых агроландшафтах путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследования:

1. Раскрыть механико-технологические основы проявления механической эрозии на склоновых агроландшафтах и установить зависимость смещения почвы от крутизны склона, направления движения агрегата, типа и параметров рабочего органа.

2. Разработать математическую модель технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах и обосновать конструктивно-технологические параметры рабочих органов, снижающих механическую эрозию.

3. Разработать математическую модель технологического процесса работы пневматической распределительной системы семян почвообрабатывающе-посевной машины на склонах и обосновать ее основные конструктивно-технологические параметры.

4. Совершенствовать технологию и комплекс машин для повышения эффективности возделывания зерновых и пропашных культур на склоновых агроландшафтах и сохранения плодородия почвы.

5. Внедрить разработанные почвообрабатывающие и посевные машины в производство и дать технико-экономическую оценку их внедрения.

Объект исследования. Технологический процесс обработки почвы и посева семян на склоновых агроландшафтах.

Предмет исследования. Закономерности технологических процессов работы почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Впервые раскрыты механико-технологические основы механической эрозии почвы на склонах при работе почвообрабатывающих и посевных машин и установлен характер ее изменения в зависимости от макрорельефа поля, конструктивных параметров рабочих органов и направления их движения по склону.

2. Установлены аналитические выражения для определения траектории движения и смещения почвы рабочими органами в зависимости от крутизны и направления движения орудия по склону.

3. Обоснована расчетная область и разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой на основе уравнений динамики сплошной деформируемой среды с учетом крутизны склона поля и конструктивно-технологических параметров рабочего органа.

4. Установлены режимы течений воздушно-зерновой смеси и уточнены зависимости коэффициентов сопротивлений семян воздушному потоку в пневматических системах почвообрабатывающе-посевных машин и комплексов.

5. Разработана математическая модель процесса работы вентилятора пневматических зерновых сеялок, позволяющая моделировать образование и перемещение воздушного потока за счет вращения его лопастей.

6. Обоснована область расчета и разработана математическая модель процесса работы пневматической распределительной системы на основе уравнений динамики двухфазных сред «газ - твердые частицы» с учетом особенностей работы на склонах.

7. Предложены методики и обоснованы условия численной реализации математических моделей технологических процессов взаимодействия рабочих органов с почвой и работы пневматической системы почвообрабатывающих и посевных машин в компьютерных программах инженерного расчета.

8. Обоснованы технологические приемы полосной обработки почвы и посева технических культур на склонах, усовершенствованы технологии и разработан комплекс машин для обработки почвы и посева зерновых культур на склонах.

Новизна технических решений защищена одним авторским свидетельством и пятью патентами на полезную модель.

Практическая ценность работы. По результатам исследований в содружестве с Россельхозакадемией, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ТатНИИСХ и заводами ОАО «Варнаагромаш», ООО ПК «Ярославич», ЗАО ИПП «ТехАртКом» разработан комплекс машин для основной и предпосевной обработок почвы, а также комбинированные и универсальные почвообрабатывающе-посевные машины для ресурсосберегающей системы земледелия, которые внедряются во многих регионах Российской Федерации.

Разработанные совместно с учеными БГАУ и БНИИСХ рекомендации для внедрения ресурсосберегающей технологии в Республике Башкортостан исполь-

зуются во всех зонах Республики Башкортостан при возделывании сельскохозяй ственных культур.

Результаты научных исследований использованы при разработке системь ведения агропромышленного производства в Республике Башкортостан и системь машин и оборудования для реализации инновационных технологий растениевод ства и животноводства.

Разработанная технология и изготовленный универсальный комбинирован ный агрегат для полосного посева кукурузы обеспечивает повышение урожайно сти зеленой массы кукурузы на 127 ц/га и устранение механической эрозии I смыва почвы на склонах, а также снижает эксплуатационные затраты за счет сни жения площади обработки поля.

Разработанный комплекс машин для энергоресурсосберегающей системь земледелия награжден дипломами и двумя золотыми медалями Всероссийски агропромышленной выставки в 2011, 2012 гг. и широко внедряется в сельскохо зяйственных предприятиях Республики Татарстан, Челябинской, Ярославской Ивановской областях, а также в Республике Казахстан. Использование рекомен дованного комплекса машин приводит к повышению рентабельности с 12,9 д 37,9^10,4 %, и повышению урожайности на 3,2 ц/га.

Реализация результатов работы. Данные исследований по обосновани конструктивных параметров плугов использованы при производстве плуго ПН-ЗС, ПН-4С, ПН-5С и ПН-8С в ОАО «Стерлитамакское РТП».

На основе результатов исследований по обоснованию конструктивных па раметров рабочих органов и пневматических систем в ЗАО ИПП «ТехАртКом> освоено производство и выпущены культиваторы КУБМ-14,7 (5 типов рабочи органов), почвообрабатывающе-посевные агрегаты ППА-5,4, ППА-7,2, и плуги дискаторы ПДУ-6х4 «Ермак».

Результаты исследований по обоснованию параметров рабочих органов ис пользованы ОАО «Варнаагромаш» при выпуске борон БТИ-21, БЗН-15, БЗН-24 культиваторов КБМ-7,2, КБМ-10, КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДП-7,2, плугов со смен ными рабочими органами ПН-ЗУ, ПН-4У, ПН-5У, ПН-8У, ПП-9У, посевных ма шин СКП-2,1, СПБМ-6, СПБМ-8.

Технология полосной обработки почвы и комбинированный агрегат для е осуществления внедрены в Тюйском совхозе Аскинского района Республик! Башкортостан.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВП Башкирский ГАУ и ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА.

Вклад автора в проведенное исследование. Разработана математическая модель смещения и механической эрозии почвы на склонах. Предложена методика, изготовлены лабораторная установка и приборы для определения смещения почвы на склонах. Уточнены области расчета, начальные и граничные условия математической модели взаимодействия рабочих органов с почвой с учетом склона. Определена объемная концентрация семян в воздушном потоке распределительной системы пневматических сеялок. Определены число Рейнольдса и аэродинамический коэффициент сопротивления частицы для различных культур в

аспределительных системах пневматических зерновых сеялок. Уточнены облас-и расчета, начальные и граничные условия математической модели технологиче-кого процесса работы пневматической системы сеялки с учетом крутизны скло-а. Обоснованы параметры рабочих органов и технических средств для устойчи-ой работы машин на склонах. Предложена технология полосного посева и изго-овлен комбинированный агрегат. Проведены сравнительные опыты различных ехнологий возделывания кукурузы. Заложены трехлетние стационарные опыты о влиянию способов основной обработки, предпосевной обработки и посева на 5асоренность посевов, урожайность зерновых культур и смыв почвы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- аналитическая оценка механической эрозии почвы в зависимости от конструктивных параметров, направления движения рабочего органа и крутизны склона;

- теоретическое обоснование технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой при обработке склоновых агроландшафтов;

- теоретическое обоснование технологического процесса работы пневматической распределительной системы почвообрабатывающе-посевных машин;

- рекомендуемые технологические приемы, технические средства и их параметры для обработки почвы и посева на склоновых агроландшафтах;

- оценка эффективности рекомендуемых технологических приемов и разработанных машин.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях Челябинской ГАА (1982-2010 гг.), Башкирской ГАУ (1989-2013 гг.), ТатНИИСХ (2005 г.), итоговой научно-практической конференции, посвященной 75-летию КГФЭИ (2006 г.), международной научно-практической конференции Курганской НИИСХ, посвященной 110-летию со дня рождения Т.С. Мальцева (2006 г.).

Результаты исследований по разработке технологий и машин для обработки почвы и посева на склонах рассматривались на совместных выездных заседаниях Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства РАСХН в г. Ярославль 24-25 сентября 2008 г. и в г. Уфе (ФГБОУ ВПО Башкирской ГАУ) 6-8 июня 2013 г., на совместной научно-практической конференции МСХ Челябинской области, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ЧНИИСХ, ТатНИИСХ, ОАО НПК «Уралвагонзавод», ООО «Варнаагромаш» в г. Челябинск 21 сентября 2011 г., на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 59 работах, в том числе 19 в рецензируемых журналах и изданиях, 2 монографии, 5 рекомендаций производству, получены 5 патентов на полезную модель и 1 авторское свидетельство на изобретение. Общий объем публикаций составляет 72 п.л., из них авторских - 28 п.л.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, научная проблема и новизна сформулирована цель исследований и приведены основные положения, выно симые на защиту.

Первая глава «Состояние проблемы и задачи исследования» посвящен обзору и анализу работ по происхождению и протеканию деградационных про цессов в почве на склонах и влиянию работы почвообрабатывающих и посевны машин на склоновых агроландшафтах на качество выполнения технологически операций.

Изучением эрозии почв занимались такие ученые, как Докучаев В.В., Блед ных В.В., Заславский М.Н., Каштанов А.Н., Соболев С.С., Лысак Г.Н., Бараев А.И., Госсен Э.Ф., Ванин Д.Е., Моргун Ф.Т., Гарифуллин Ф.Ш., Миндия ров Д.Д., Рамазанов Р.Я. и др., которые рассматривали возникновение эрозий в разных почвенно-климатических зонах и предлагали способы борьбы с ними для конкретных условий. Однако в этих работах вопросы механической эрозии изучены недостаточно.

Заславский М.Н. при классификации эрозий отдельно выделяет перемещение почвы со склонов почвообрабатывающими машинами и называет ее механической эрозией почвы. Шведас А.И. описывает проблему возникновения механической эрозии на основании результатов работы Дукштатской опытной станции для условий сильно расчлененного мелкохолмистого рельефа. По данным исследователя, при загонной вспашке на склонах с крутизной 8-10° пахотный слой перемещается к подножию склона за одну вспашку на 6-10 см. Кроме вспашки, на поле выполняются другие технологические приемы обработки почвы, которые еще более усиливают механическую эрозию.

Важным элементом при изучении механической эрозии является определение траектории относительного движения почвы по рабочему органу.

Определению траектории относительного движения пласта по клину и исследованиям перемещения почвы по клину посвящены работы Бледных В.В., Бу-рякова A.C., Бахмутова В.А., Кирюхина В.Г., Котова В.М., Максимова И.И., Свечникова П.Г., Терещенко И.С., Тураева Л.Д., Шаршак В.К. и др. Во всех работах рассматривается процесс взаимодействия почвы с двугранным или трехгранным клином, основы которого разработаны акад. В.П. Горячкиным и развиты его последователями В.А. Жилиговским, Г.Н. Синеоковым, Л.В. Гячевым, В.И. Виноградовым, В.В. Бледных, В.Д. Подскребко, В.А. Лаврухиным и др.

Анализ этих работ показывает, что теоретические исследования по определению траектории движения почвы по рабочему органу выполнены только для горизонтальной поверхности. К тому же исследования рабочих органов на склонах отсутствуют. Экспериментальные исследования по определению смещения почвы на склонах не проводятся из-за отсутствия методики и соответствующих приборов и установок.

При работе на склонах почвообрабатывающих и посевных машин с пневматической системой распределения семян происходит изменение характера движения семян и ухудшается равномерность их распределения по сошникам.

Пневматическому высеву семян и минеральных удобрений посвящены работы В.М. Гусева, Л.Ю. Шевырева, И.Н. Гужина, С.А. Ивженко, В.Н. Перевозни-кова, В.А. Насонова, И.А. Шаршукова, Г.Н. Лысевского, B.C. Астахова, A.B. Адась, Э. Пешеля, Г.Пипига, Г. Вайсте, В. Цёрес, Г. Хеёге и других исследователей. Однако в этих работах изучены только отдельные элементы работы пневмо-системы.

Для совершенствования работы пневматической системы почвообрабаты-вающе-посевных машин на склонах необходимо рассмотреть в комплексе работу всех ее элементов, что требует разработки математических моделей технологического процесса работы.

Во второй главе «Мсханико-технологичсские основы возникновения механической эрозии почв на склоновых агроландшафтах» рассмотрены факторы и выявлены причины, влияющие на величину смещения почвы рабочим органом; установлено влияние направления движения агрегата и крутизны склона на технологические параметры рабочего органа; проведено математическое описание движения почвы по рабочему органу и процесса возникновения механической эрозии почвы при работе на склонах; получена аналитическая оценка механической эрозии почвы при работе почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах.

Рабочий орган почвообрабатывающе-посевной машины в виде трехгранного клина при работе смещает почву поперек направления движения агрегата по траектории, определяемой углом ц между лезвием лемеха и направлением движения почвы по клину (рисунок 1). При этом угол ц определяется по формуле Гяче-ва Л.В.

tgri = tgy • cose, (1)

где у - угол между лезвием лемеха и стенкой борозды, град.; £ - угол между лемехом и дном борозды, град.

Для определения смещения почвы необходимо найти угол между проекцией траектории движения почвы на горизонтальную плоскость и направлением движения рабочего органа Г|г:

. _ tgy-COSE-tgn

® 'г ~~ l + cosE fgy tgn ' (2)

Тогда, зная ширину лемеха, можно определить величину смещения Ai = ОЕ. При работе на рав-Рисунок 1- К определению нине величина смещения правым и левым кры-

траектории движения лом стрельчатой лапы будет одна и та же, и об-

почвы на равнине щего смещения почвы не произойдет. Величина

смещения Л! будет влиять только на ширину развальной борозды, оставляемой рабочим органом.

На склонах смещение почвы вниз, под склон, рабочим органом в виде трехгранного клина всегда больше, чем смещение почвы вверх (рисунок 2). Это обусловлено изменением технологических параметров рабочего органа относительно горизонтальной плоскости и появлением дополнительной боковой силы

Q = G sinii (Q - крутизна склона), которая действует на пласт почвы вдоль склона вниз.

Без учета боковой силы смещения имеют значения A'i и Д'2, а с учетом боковой силы смещение почвы вниз нижним крылом увеличивается до Аь в то время как смещение вверх верхним крылом уменьшается до Д2 (рисунок 2).

Такое систематическое смещение почвы под склон (разница смещений) под действием механических обработок приводит к возникновению механической эрозии почвы, равной

А = Ai-A2 (3)

Смещение почвы при работе орудий на склонах определяется наклоном рабочих органов относительно горизонтальной плоскости. Наклон рабочего органа вдоль направления движения

tgftB = tgil-sinO, (4)

а поперек направления движения

tgi2n = tg£l • cos 0, (5)

Рисунок 2 - Схема где 0 У1"011 междУ линией горизонтали поля и

к определению смещения почвы направлением движения агрегата, град, стрельчатой лапой на склонах

При движении агрегата под любым углом 0 механическую эрозию определяют по выражению

А = |(Ai - Д2) • cos 0|. (6)

В связи с тем, что большинство рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин представляют собой стрельчатые лапы, рассмотрим рабочий орган в виде лемеха с шириной L (рисунок 3). Лемех ABjMiM2 представим как часть трехгранного клина.

Тогда смещение почвы: д, = L- —

Рисунок 3 - Схема для определения смещения почвы лемехом на склонах

• , (7)

совП-Бтту-созх'

Для определения смещений почвы необходимо знать технологические параметры рабочего органа- углы у и е, которые также меняются в зависимости от наклона рабочего органа. Примем следующие обозначения этих углов: и в] -углы при движении агрегата поперек склона, град; у2 и е2 -углы при движении агрегата вдоль склона, град; у1,2 и е^ -углы при движении в любом направлении 9, град.

Они рассчитываются по следующим выражениям:

sin Р

tgYl = tgy tg^l tgy2 = tgy

sin(p±í2n)'

_ tg(p±nn).

cosyi ' sin(a+íl„) sin a '

tgs2 = tg£.M2íílB).ÜÍiL; (8)

° ¿ ° tga sin y2 v '

Sill p sin(a+nB) te v. , = tg v---—-----

Bri'2 &r sin(p±nn) sin a ' — m I П Л tg(«+n„) tgn

tg^-tgCPiíiJ--^-—,

где углы a и (J трехгранного клина определяются по выражениям tga = tgs-siny и tgP = tgc-cosy.

Угол отклонения траектории движения почвы по рабочему органу за счет

боковой силы в зависимости от направления движения агрегата

£ _ tgy-sIne-cos^-siníVcosri-cos^+Tii-)

TgO 9 (J)

COS£ 22 '

где \ определяется по выражению tg ^ = tg г • cos(y + 0), а угол - по выражению tgTli = tgyu-COS8i,2.

Углы t]n, г|', и ^'определяются по выражениям

tgyiz-cosE1,2-tg4'1 - l + COSE^-tgyu-tgníJ (10)

л; = тц + 8, 11= 11 +<5. Угол между траекторией движения почвы на склоне и направлением движения рабочего органа ^'рассчитывается как

tgX'=^, (11)

cos 8 v '

где х определяется по выражению

tgx = tgy • sine • cost], (12)

Полученные формулы (1)-(12) раскрывают механико-технологические основы смещения почвы на склонах при работе рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин и происходящую при этом механическую эрозию. На рисунках 4-8 представлены результаты расчетов смещения почвы рабочими органами по формулам (1)-(12), которые описывают математическую модель процесса механической эрозии.

Из представленных данных следует, что с увеличением крутизны склона Q и углов у и s, характеризующих параметры рабочего органа, увеличивается механическая эрозия почвы, которая зависит от направления движения агрегата относительно горизонтали поля — поперек склона (рисунки 4 и б).

Максимальное смещение почвы нижним крылом рабочего органа (А [) происходит при движении агрегата под углом 0 = 45.. .70° к горизонтали поля в зависимости от параметров рабочего органа, что связано с наложением продольного QB и поперечного Qn наклонов рабочего органа (рисунок 5).

1,2 и 3 - теоретические значения Дь Д2и Д; 4, 5 и б - экспериментальные значения Дь Д2 и Д Рисунок 4 - Зависимость смещений почвы Д[ и Д2 и механической эрозии Д при работе лемеха с шириной Ь = 100 мм и с углами у = 50° е=30° от крутизны склона П

1- смещение почвы нижним крылом Дь 2 - смещение почвы верхним крылом Д2; 3 - общее смещение почвы Д; 4 - механическая эрозия Д Рисунок 5 - Зависимость смещений почвы стрельчатой лапой от направления движения 9 по склону (склон 6°, у = 60°, £ = 20°)

1- е=2б°; 2 - е=22°; 3 - с=18° Рисунок 6 - Зависимость механической эрозии Д от направления движения агрегата 8 при угле

у = 32,5° и различных значениях угла к

Для стрельчатых лап минимальная механическая эрозия фиксируются при движении агрегата под углами 0 = 90±35° и 9 ~ 270±35°, а максимальные значения достигаются при движении агрегата под углами 0 5±15° и 9 =165±15°. Для односторонних рабочих органов минимальные значения механической эрозии воз-

никают при движении агрегата под углом 9 "-120=40° и 0 ~300±40° к горизонтали, а максимальные - при углах 0 ~ 30±15° и 8 ~ 210±15° (рисунок 7).

1 - смещение почвы вниз по склону Д^ 2 - смещение почвы верх верхним крылом стрельчатой лапы Д2; 3 - смещение почвы вверх односторонней лапой Д;0дност; 4 ™ механическая эрозия почвы при обработке стрельчатой лапой; 5 - механическая эрозия почвы при обработке

односторонней лапой

Рисунок 7 - Зависимости смещений почвы и механической эрозии при обработке почвы стрельчатой и односторонней лапами от направления движения агрегата 0 (склон 6°, у = 32,5° и е = 26°)

При движении поперек склона смещение почвы вниз нижним крылом стрельчатой лапы увеличивается при увеличении крутизны склона, а смещение почвы вверх верхним крылом уменьшается, и при достижении крутизны критического значения Г2кр почва начинает перемещаться тоже вниз по склону (рисунок 4).

Ширина развальной борозды зависит от параметров рабочего органа у и е, крутизны склона О и от направления движения агрегата 0. С увеличением угла £, уменьшением угла у и увеличением крутизны склона П величина развальной борозды увеличивается. При движении агрегата вверх по склону (0 = 270°) развальная борозда имеет минимальное значение, а при движении агрегата вниз по склону (0 = 90°) - максимальные значения (рисунок 8).

еь лш

20

15

10

0

0 30 60 90 120 150 iso 210 240 270 300 в, град 1-е - 26°; 2 - е = 24°; 3 - е = 22°; 4 - е = 20°; 5 - е = 18° Рисунок 8 - Зависимость ширины развальной борозды от направления движения агрегата в на склоне в 6° при угле у = 32,5° и различных значениях угла е

Полученные данные показывают, что для снижения механической эрозии почвы необходимо подбирать соответствующие параметры рабочего органа, а также направления движения агрегата. При отсутствии угрозы водной эрозии обработку почвы при использовании стрельчатых лап необходимо проводить под

углом 0 = 90°±35°, а при использовании односторонних лап - под углом 9 =120° ± 40°.

Представленные на рисунке 4 результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают адекватность математической модели механической эрозии реальному процессу и возможность ее использования для расчета параметров различных типов рабочих органов.

Для разностороннего изучения работы машин на склонах необходимо разработать математическую модель, позволяющую обосновывать не только траекторию движения почвы по рабочему органу и смещение почвы, но и кинематические и энергетические показатели работы.

В третьей главе «Моделирование технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах» показана последовательность реализации математической модели взаимодействия рабочих органов с почвой с учетом их работы на склонах, разработанной на основе динамики сплошных деформируемых сред. Обоснованы области расчета, определены начальные и граничные условия функционирования модели и даны результаты ее численной реализации на ЭВМ. Дана методика и приведена лабораторная установка для экспериментального определения перемещения почвы рабочим органом. Показана адекватность математической модели реальному процессу обработки почвы. Обоснованы конструктивно-технологические параметры рабочих органов для работы на склоновых агроландшафтах.

Мударисовым С.Г. для исследования технологического процесса обработки почвы предложено использование модели сплошной деформируемой ньютоновской среды. Численное решение таких моделей может быть реализовано в прикладных программах, например, в программных комплексах Р1о\у\%юп, Ашуя и др.

Система уравнений динамики сплошной деформируемой многофазной почвенной среды в обобщенном виде записывается следующим образом:

^ + сНу(ру) = М, (13)

где ат= 0,3.. .0,7 - коэффициент содержания твердых частиц в объеме почвы;

_2 э2у( , э^ , а^ V v. = —т + —~г + тт ~ лапласиан.

дх* Эу2 дг*

При интегрировании этой системы уравнений определяются скалярное поле давлений, векторное поле скоростей, а также для любого момента времени траектории движения частиц.

Для использования ее при моделировании технологического процесса обработки почвы на склонах необходимо ввести изменение технологических параметров рабочего органа относительно горизонтальной плоскости при его наклоне на угол крутизны склона £1 и учесть появление силы, действующей на пласт почвы

вдоль склона вниз, способствующий изменению траектории движения почвы по рабочему органу.

В связи с изменением направления действующих сил реакции рабочего органа на пласт почвы Кр.0, (рисунки 9 и 10) при работе на склонах будет меняться область расчета рассматриваемой модели.

Рисунок 9 - К определению области Рисунок 10 - К определению области

расчета при движении вдоль склона расчета при движении поперек склона

Длина расчетной области с учетом этих изменений (рисунок 9)

Lp.„.=l-cos a+kL • а • tg(a+<p+i|/2), (14)

где 1 - длина рабочего органа, м; kL=l,5...2 - коэффициент запаса, а - глубина обработки, м; ф - угол трения, град; а - угол подъема клина, град; \|ь - отклонение силы Rp.o. реакции поверхности рабочего органа вдоль склона за счет составляющей силы тяжести пласта почвы, град, которая определяется по выражению

. siníl-cosa ,,

(15)

Ширина расчетной области Вр0 должна быть установлена с учетом ширины рабочего органа вр и зоны деформации пласта (рисунок 10)

Вро = вр + а • tg(P + щ) + а • tg(P - Vl), (16)

где Y|/i - угол отклонения траектории почвы от действия боковой силы при движении агрегата вдоль горизонталей в зависимости от крутизны склона, град:

sin íl-cosp

COSE! ' (1?)

Высота расчетной области Нр0 берется больше размера рабочего органа по вертикали.

Начальным условием математической модели будет скорость почвы V,, на входе в расчетную область (рисунок 11). Скорость движения почвы исходя из условия подобия будет равной скорости Ур.„. рабочего органа, т.е. У„= Уро.

На границах «вход» и «выход» давление рабочего органа на почву отсутствует и действует только давление силы тяжести почвы, т.е. Рвх= 0, Рвых= 0.

Физические параметры модели будут определяться плотностью р и вязкостью ц среды.

Рисунок 11 - Начальные и граничные Рисунок 12 - Схема действия сил на пласт

условия взаимодействия рабочего органа почвы при работе на склонах

с почвой

Геометрические параметры рабочего органа вводятся при отдельном построении в системе автоматизированного проектирования в виде трехмерной твердотельной модели.

При движении рабочего органа в почве граничное условие выражается из условия непроницаемости тела (условие твердотельности), т.е. перпендикулярная к поверхности составляющая скорости У4= 0.

Граничное условие раздела почвенной среды с воздухом определяется равенством нулю давления на границе их разделения Ргр = 0.

Со стороны дна борозды на рабочий орган действует давление подпора, которая возникает как сопротивление объемному сжатию почвы рабочим органом. Тогда для получения граничного условия дна борозды определяем силу, действующую перпендикулярно к дну борозды (силу Б), возникающую в процессе деформации почвы. Схемы действующих сил показаны на рисунке 12.

Сила тяжести пласта С, сила инерции пласта К, когезионная сила С действуют на рабочий орган и не влияют на почву перед рабочим органом. Силами, которые влияют на величину подпора, являются сила трения Гтр и составляющая силы тяжести пласта, действующая вдоль рабочего органа.

Вертикальная составляющая 8 будет определяться с учетом крутизны склона:

1»?

1 • - — (5ш(<р + + вт(П + а))

х [соз(а + П) ■ tgф + 5т(а + П)] • я!па • вр • р • & (18)

где И! - толщина слоя почвы на поверхности рабочего органа, которая определяется по следующей формуле

. совСш+фг)

Ь, = а--^ . (19)

1 соБСа+ф+фг) v '

Наличие силы Б приводит к сжатию почвы перед срезанием почвы лезвием лемеха. Срез почвы, находящийся под напором, приводит к уплотнению почвы на

глубине обработки почвы и образованию плужной подошвы при пахоте и семенного ложа при предпосевной культивации и посеве.

С учетом корректировки параметров области расчета, начальных и граничных условий и системы уравнений разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа с почвой с учетом крутизны склона. Численная реализация данной модели произведена в программном комплексе Р1о\уУ13юп.

Полученная модель полностью подтверждает характер изменения траектории движения почвы по рабочему органу при его движении на склонах. Замеры углов отклонений траектории производились на проекции рабочего органа на горизонтальную плоскость.

Для проверки адекватности модели механической эрозии и данных, полученных по разработанной модели технологического процесса обработки почвы, нами изготовлена лабораторная установка для измерения параметров траектории движения почвы или смещения почвы.

Прибор изготовлен из прозрачного органического стекла (основания), на котором закреплен маятник для замера угла. При этом прибор используется как дополнительная плоскость, куда проецируется траектория движения частицы почвы (меченой частицы), лежащей на поверхности обрабатываемого слоя. Для определения направления движения частиц используется сыпучий материал (песок). Тогда траектория движения почвы на поверхности рабочего органа и на поверхности обрабатываемого материала будет одна и та же, что позволит по углам на поверхности почвы судить о траектории движения пласта почвы. Универсальность прибора состоит в том, что угол можно замерять в любой плоскости.

Сравнение полученных теоретических данных по аналитическим зависимостям (10), а также результатов моделирования и экспериментальных данных показывает их адекватность (рисунок 13) и возможность использования предложенного прибора для замера перемещения почвы рабочими органами.

1 - по модели; 2 - экспериментальные; 3 - теоретические Рисунок 13 - Зависимость угла % от крутизны склона £1 (у = 60°, е = 20°)

Соответствие теоретических и экспериментальных данных результатам моделирования (рисунок 13) показывает возможность использования модели технологического процесса обработки почвы для обоснования рациональных параметров рабочих органов.

Реализация разработанной модели позволила установить, что на тяговое сопротивление рабочих органов оказывают влияние как конструктивные параметры,

так и крутизна склона. Так, сопротивление рабочего органа Ях меняется в зависимости от крутизны склона (рисунок 14).

1 - лапа; 2 - направитель Рисунок 17 - Траектории движения частиц

Рисунок 16 - Рабочий орган почвы по рабочему органу с направителями

1 - £ =24°; 2-8 =22°; 3-е =20° Рисунок 15 - Зависимость сопротивления рабочего органа от угла 2у при различных значениях угла е ( Г2 = 3°)

60 62,5 65 67,5 2у,град

1 - П=0°; 2 - П=3°; 3 - П=6° Рисунок 14 - Зависимость тягового сопротивления рабочего органа от угла 2у при различной крутизне склона П (е = 24°)

С увеличением крутизны склона происходит некоторое снижение тягового сопротивления, которое можно объяснить уменьшением нормальной составляющей силы тяжести пласта. При увеличении углов е и 2у происходит увеличение тягового сопротивления (рисунок 15).

При работе на склонах наиболее предпочтительным является стрельчатый рабочий орган с углами раствора лапы 2у = 60...65° и установки лемеха ко дну борозды е = 20°.

Таким образом, на основе моделирования установлено, что для снижения механической эрозии необходимо использовать рабочие органы с возможно малыми углами у и е. При этом происходит и снижение тягового сопротивления рабочего органа.

Для уменьшения размеров развальной борозды у лаповых сошников, заделки семян влажным слоем почвы и снижения механической эрозии предлагается на рабочей поверхности лапы устанавливать с обеих сторон направители (рисунок 16) (Патент на полезную модель № 48691).

- 1Ш4х| + 1.72 —г 41 Х695Х-4 0,0217 ЗЗх

у-( — 1

К2 = 0,9.997

\

3

^г-М

- - V — ид) - З^З-х - = 0,998 - М)43 3 4 -1

При установке направителей почва, находящаяся между направителями, начинает перемещаться в сторону стойки, тем самым заполняя объем бороздки (рисунок 17).

Для определения влияния углов установки направителей Ду на качество обработки почвы были проведены эксперименты. Как показывают полученные данные, минимальный размер развальной борозды обеспечивается при Ду = 10°. После прохода серийной лапы глубина бороздки получилась 3 см, а при установке направителей под углом в диапазоне 0...200 снижается примерно на 18...40 %. Кроме того, установка направителей обеспечивает лучшее крошение почвы и заделку семян нижними влажными слоями почвы.

С помощью математической модели также было проверено влияние установки направителей на величину механической эрозии почвы (рисунок 18). л,

1 - при работе без направителей почвы;

2 - при работе с направителями с углом установки Ду =10°;

3 - при работе с направителями с углом установки Ду =16°

Рисунок 18 - Зависимость механической эрозии Д от наличия направителей почвы, их угла установки Ду и крутизны склона Л при параметрах рабочего органа £ = 20° и 2у = 60° 0 1 2 3 4 ? й, град

Установка на лапу с параметрами 2у = 60° и е = 20° направителей приводит к снижению механической эрозии. Увеличение угла отклонения направителя Ау от продольной оси приводит к уменьшению механической эрозии. Поэтому рекомендуется для снижения механической эрозии устанавливать направители под углом Ау = 10-20°.

В четвертой главе «Технологический процесс работы пневматической системы почвообрабагывающе-посевных машин» рассмотрены возможности применения методов динамики двухфазных сред «газ - твердые частицы» для математического описания работы пневматической системы сеялки; обоснованы области расчета, определены начальные и граничные условия и даны результаты численной реализации на ЭВМ модели функционирования пневмосистемы.

Для исследования работы радиального вентилятора разработана математическая модель процесса его работы на основе уравнений динамики сплошных сред. При моделировании движения воздуха использовано приближение одно-компонентной несжимаемой среды, описываемой уравнениями Навье-Стокса с учетом эффектов турбулентности:

+УСи®и)= - 2 + (0+ц()^и+07и)т)) + (1 - (20)

уи= о,

где и - вектор скорости; р - плотность; Р - давление; g - вектор силы тяжести; В -коэффициент, учитывающий силы вращения, ц - динамический коэффициент вязкости воздуха; ц, - турбулентная вязкость.

Числа Рейнольдса в межлопаточном пространстве вентиляторов пневматических систем зерновых сеялок по нашим расчетам изменяются в пределах Ке = 20000....270000. В подобных течениях для описания турбулентных эффектов наиболее подходящим является к - е модель турбулентности.

В уравнениях 20 учтены главные нелинейные механизмы эволюции турбулентных течений — инерционные силы и сила тяжести. Во вращающейся системе координат силы вращения (Кориолиса и центробежная) имеют вид

В =-2соИ- со2г, (21)

где со - угловая скорость вентилятора; г - радиус вентилятора.

Система (20) с учетом остальных уравнений описывает технологический процесс работы радиального вентилятора (рисунок 19) во вращающейся системе координат. Для этого необходимо задать вращение подобласти вентилятора через угловую скорость в абсолютной системе координат.

Для численной реализации данной модели необходимо создать область ее расчета с постановкой начальных и граничных условий. Область расчета вентилятора создается на основе его трехмерной твердотельной модели, спроектированной по исходным конструктивно-технологическим параметрам.

Обоснование конструктивных параметров радиального вентилятора проводилось по результатам моделирования в программном комплексе Р1о\¥У1зюп из условия обеспечения равномерности скорости воздушного потока на выходе нагнетательного канала по эпюре скоростей (рисунок 20) и производительности вентилятора.

Стенка

Рисунок 19 - ЗБ-модель радиального вентилятора с граничными условиями

Рисунок 20 - Визуализация результатов расчета: а - поле векторов скоростей и эпюра скорости воздушного потока на выходе; б - изолинии давления

Как показало моделирование работы вентилятора, на скорость воздуха влияет количество лопаток на рабочем колесе. На рисунке 21 приведены результаты моделирования по определению скорости воздушного потока при различных количествах лопаток (от 20 до 32 штук). Скорость воздушного потока на выходе из нагнетательного канала повышается при использовании вентилятора с 24 лопатками. Для анализа неравномерности воздушного потока на выходе в зависимости от количества лопаток использован коэффициент вариации скорости воздуха (рисунок 22).

Наименьшая неравномерность скорости воздуха получается также при использовании вентилятора 24 лопатками (рисунок 22).

, о/ :0,0125х2 - 0,5496х + 25,574 Я2 = 0,9943

у = -0,0402х2 + 1,8699х+ 16,08 Я2 = 0,8908 18 20 22 24 26 28 30

п, шт.

18 20 22 24 26 28 30

п, шт.

Рисунок 21 - Зависимость скорости воздуха II на выходе от количества лопаток и

Рисунок 22 - Зависимость коэффициента вариации V скорости воздуха на выходе от количества лопаток п Таким образом, разработанная модель позволяет визуализировать процесс работы радиального вентилятора и обосновать его конструктивно-технологические параметры.

Процесс взаимодействия воздушного потока с семенами, как предложено Мударисовым С.Г., можно описывать методами механики сплошных сред и рассматривать как гетерогенное двухфазное течение «газ - твердые частицы».

Взаимодействие семян и воздуха зависит от объемной концентрации, которая определяется по выражению

(22)

а,.

Шр

W„

где \¥р - объем семян в рассматриваемом объеме потока за единицу времени, м /с; объем воздуха, поступающий в эту область за единицу времени, м7с. Объем, занимаемый семенами в рассматриваемом объеме потока воздуха в пневматической системе сеялки, определяется по выражению

ш = (23)

р 10000-рз

где Вр - ширина захвата посевного агрегата, м; Ус — скорость движения агрегата, м/с; О1 - норма высева семян, кг/га; р, — плотность семян, кг/м3.

Для определения объема воздуха находим минимальную скорость его потока из условия устойчивого транспортирования семян по семяпроводам без забивания. Рабочая скорость воздуха в вертикальных трубах распределительной системы при этом определяется как

уе = к3(10,5 + 0,57увит), (24)

где увит - средняя скорость витания семян, м/с; к3 - коэффициент запаса, величину которого принимаем равной 1,2.

Как видно из рисунка 23, только в зависимости от высеваемой культуры производительность вентилятора должна изменяться в 1,4 раза.

Зная рабочую скорость воздуха у? исходя из условия неразрывности потока в пневмопроводе можно рассчитать расход воздуха

Как показывают расчеты, объемная концентрация семян ас для различных сеялок при норме высева семян С) = 200...250 кг/га и скорости движения агрегата Ус= 3 м/с, меняется в пределах 0,0003-0,0015, что позволяет классифицировать движение семян в пневмоси-стеме под действием воздушного потока как «слабо-запыленное» и использовать

<гу

Культура

Рисунок 23- Диаграмма рабочих скоростей воздуха в зависимости от высеваемой культуры

для его математического описания методы двухфазных сред.

Обычно для математического описания течения газов с твердыми частицами используется система уравнений Навье-Стокса с добавлением в эту систему уравнения неразрывности, сохранения массы для воздушно-зерновой смеси и импульса. Общая система уравнений течения двухфазной среды «воздух - семена» запишется следующим образом:

(iv ,, зр , . р — = У - — + цД V

к ск ду

¿о> = 2_ар к <й дг

Э(Р8«с) , ^

31

у.(рЛас)= V- (Ре01+£)?ас ) + <£

9(РЛ)

(25)

д1

+ V

® у8) = -УР + V • т&ар + рй§

5 +

Я

Чшт

рр

<И 8т

где р^ - плотность воздуха, кг/м3; т - масса семян, кг; рр - плотность семян, кг/м"; V - лапласиан; \г - отн. скорость семян, м/с; Б! - коэффициент диффузии; Оршам -

источник массы семян, кг/м'-с, ¡л, - турбулентная динамическая вязкость, кг/м-с; Sct = 1 - турбулентное число Шмидта, dp - эквивалентный диаметр семян, м.

Для решения системы уравнений (25) нами определены начальные и граничные условия функционирования модели пневматической распределительной системы сеялки.

Для анализа движения частиц рассмотрим участок вертикального подъема семяпровода до распределителя. Семена поднимаются вверх за счет силы воздушного потока, которая зависит от аэродинамического коэффициента сопротивления частицы С0, который определяется теоретически по кривой Рэлея в зависимости от числа Рейнольдса Re (CD = f(Re)).

Число Рейнольдса для сферических тел

Re = W^pI

н v ц

где V - кинематическая вязкость воздуха, м/с; Т] - динамическая вязкость воздуха, Н-с/м2.

Для вертикального воздушного потока скорость частиц отстает от скорости воздушного потока. На основании многочисленных опытов отставание скорости частицы от максимально возможной находится в пределах

——-= 0,73 -г- 0,98.

^g ^вит

где vBlrr - скорость витания семян, м/с.

Тогда скорость частицы определяется как

vp = (0,73 - 0,98) • (vg - vBHT). (27)

Исходя из этого соотношения по выражению (26) можно рассчитать число Рейнольдса для различных культур. Расчеты показали, что число Рейнольдса меняется в пределах от 980 до 4800. В данном интервале коэффициент сопротивления частицы CD невозможно описывать только стандартизованными зависимостями Ньютона или Стокса. Наиболее подходящими, на наш взгляд, являются зависимости, полученные С.Т. Hammond, P.W. James, Stein Schmehl. Коэффициент сопротивления частицы Со, определенный по этим зависимостям, изменяется в пределах 0,35... 0,5.

Для численной реализации уравнений течения воздушно-зерновой смеси (25) так же требуется постановка начальных и граничных условий области расчета.

На стенках распределительной системы задается граничное условие непроницаемости, как для воздушного потока, так и для семян равенством нулю их нормальной скорости относительно стенки. Кроме этого должны задаваться скорость или давление воздушного потока, количество подаваемых в распределительную систему семян и условие их выхода из сошника.

Граничными условиями данной математической модели являются (рисунок 24):

- вход воздуха в пневмопровод (выход воздуха из вентилятора), задаваемые параметры: скорость воздуха vg или давление Р„;

\/п=0 5

- стенка (внутренние рабочие поверхности пневмосистемы). На стенке задается условие непроницаемости для нормальной скорости (уп=0);

- свободный выход (выход семян из сошников). Граничным условием будет давление, равное атмосферному давлению Р = РаТм-

- вход семенного материала в пневмопровод (выход семенного материала из катушки). Определяемыми параметрами являются количество семенного материала.

Численная реализация модели нами проведена в программном комплексе Иолу^Ъюп, где имеется возможность получения дифференциальных и интегральных характеристик течения (поле скоростей, давлений, температур, линий тока, траекторий)

В связи с тем, что одной из задач работы является обеспечение равномерности распределения семян по сошникам при работе сеялки на склонах, была разработана модель для распределителя семян сеялки ППА-5,4 (рисунок 25), который разделяет поток семян на 24 выхода.

1 - вентилятор; 2 - бункер; 3 - катушечный дозирующий аппарат; 4— эжектор; 5 - пневмопровод; б - распределитель; 7 - сошник Рисунок 24 - Технологическая схема распределительной системы сеялки и граничные условия функционирования модели: I - выход воздуха из вентилятора; II - выход семян из катушки; III - внутренние поверхности пневмосистемы; IV - выход семенного материала из сошников

Рисунок 25 - Почвообрабатывающе-посевной агрегат ППА-5,4

Как показывает реализация модели, с увеличением крутизны склона увеличивается неравномерность распределения семян по сошникам (рисунки 26 а,б). В связи с этим разработан выравниватель потока, состоящий из четырех отражателей 1, которые устанавливаются в вертикальную трубу 2 распределителя и автоматически выравнивают поток при изменении его наклона и направления движения агрегата относительно горизонтали поля (рисунок 26 в). Разработанная модель позволила установить эффективность использования отражателей: коэффициент вариации скорости воздушного потока при установке отражателей снизился до 0,03...0,045, а скорости семян - до 0,07...0,09.

1 -отражатель, 2 - труба распределителя, 3 - головка распределителя, 4 - траектория движения Рисунок 26 - Траектории движения воздушного потока (а), семян (б) без отражателей и при установке отражателей (в) при работе сеялки на склоне

Кроме того, еще одной проблемой при посеве пневматическими сеялками является вынос семян из-под сошника на поверхность поля за счет транспортирующего воздуха, что ведет к уменьшению урожайности культур. Эта проблема особенно актуальна при работе сеялок на склонах в связи с нарушением процесса закрытия борозд слоем почвы.

Нами предлагается использовать отделитель воздуха, который устанавливается перед сошником и обеспечивает снижение давления воздуха. При этом за счет кинетической энергии семян обеспечивается та же ширина засеваемой полосы, что и при подаче под давлением воздуха.

Таким образом, предложенные технические решения обеспечивают повышение качества выполнения технологического процесса за счет укладки семян на требуемую глубину посева посредством установки отделителя воздуха и за счет равномерного распределения семян по сошникам выравнивателем потока воздуха.

В пятой главе «Технологии и комплексы машин для возделывания зерновых и пропашных культур на склоновых агроландшафтах» проведено обоснование технологий возделывания и комплекса машин для производства зерновых и пропашных культур, обеспечивающих снижение эрозионных процессов и повышающих урожайность на склоновых агроландшафтах.

Для изучения влияния технологий и машин на механическую эрозию были определены смещения почвы рабочими органами машин, используемых при различных технологиях, за один цикл возделывания культуры. Механическая эрозия для трехгранных рабочих органов при этом рассчитана по методике, приведенной в гл. 2, а для остальных - по модели технологического процесса обработки почвы у(глава 3).

При традиционной технологии возделывания зерновых культур все исполь-I зуемые машины приводят к возрастанию механической эрозии. Лущение стерни дисковым лущильником приводит к смещению почвы на склоне 2° на 26 мм, на склоне 4° - на 54 мм, а на склоне 6° - на 71 мм. Предпосевная обработка и посев способствуют к дальнейшему увеличению механической эрозии - общее смеще-

!

ние верхнего слоя почвы за сезон достигает на склоне 2° - 56 мм, на склоне 4° -103 мм и на склоне 6° - 145 мм.

На склонах 6° использование даже плоскорезов-щелевателей и плугов со стойками СибИМЭ приводит к общему смещению почвы на всей глубине обработки на 18...20,5 мм, а общее смещение с учетом предпосевной культивации и посева доходит 33...35,5 мм. Поэтому на склонах свыше 5° для основной обработки необходимо использовать чизельные орудия.

При использовании энергосберегающей технологии за счет уменьшения количества обработок и глубины даже на склонах 6° механическая эрозия верхнего слоя почвы снижается и не превышает 15 мм. Тогда даже при использовании почвозащитной технологии механическая эрозия в отдельных случаях доходит до 35 мм. Поэтому внедрение минимальной обработки почвы под отдельные культуры необходимо считать приоритетным направлением в деле снижения механической эрозии.

При возделывании пропашных культур из-за многократных обработок верхний слой почвы смещается на склонах 2° на 36 мм, на склонах в 4° - на 59 мм и на склонах в 6° - на 87 мм, что требует поиска других технологий их возделывания.

Для изучения влияния способов обработки почвы и посева на смыв почвы, засоренность полей и урожайность возделываемых культур на склонах разной крутизны в течение 4 лет в севообороте нами проведены полевые опыты в Северной лесостепной зоне Республики Башкортостан. При этом определено количество смытой почвы талыми водами на полях разной крутизны, вспаханных вдоль склона, которые составили на склоне 2° - 4,6 м3/га, 3° - 37,4 м3/га, 4° - 53,8 м /га и на склоне 6° - 146,8 м3/га, то есть в последнем случае смыто 1,5 см плодородного слоя почвы. Смыв почвы на поле крутизной 3°, вспаханном поперек склона, составил 10,5 м3/га, т.е. только за счет изменения направления вспашки можно сократить смыв почвы в 3-4 раза.

Безотвальная обработка почвы плоскорезами и плоскорезами-щелевателями повышает противоэрозионную стойкость почвы, уменьшает глубину промерзания почвы за счет большей толщины снега, что увеличивает водопроницаемость почвы и на склонах крутизной 3...4° практически исключает смыв почвы (1,24 м /га).

Комплексная оценка деградации почвы на склонах позволила установить, что для их снижения необходимо совершенствовать существующие или разработать новые технологий с преимущественным использованием комплекса машин, снижающих или устраняющих механическую эрозию и смыв почвы.

Для снижения деградационных процессов нами рекомендуется технология обработки почвы, включающая в себя уборку зерновых с разбрасыванием соломы, осеннее послеуборочное поверхностное влагоаккумулирующее рыхление по стерне на глубину 3-5 см (рисунок 27 а), основное зяблевое безоборотное влаго-поглощающее рыхление пахотного слоя на глубину 10-30 см (рисунок 27 б) или глубокое влагонакопительное чизельное рыхление на глубину 35-45 см (рисунок 27 в), весной - поверхностное влагозакрывающее рыхление на глубину заделки семян (рисунок 27 г) и влагосберегающую, мульчирующую, выравнивающую предпосевную обработку с созданием уплотненного семенного ложа и вычесыва-

27

нием сорняков в начальной стадии их развития (рисунок 27 д), что позволяет создать стабильный тепловлаговоздушный режим в посевном слое.

а)

По

по&ерхкустнсе

впахстихг/пир/книяе рухлемае

б)

Основное зчфтеэое безоборотное модельное оп&яушллца/отее ръиление ръ>хпет.в

7-х *

3 л

в) г) д)й _

Гп/бохсе епъго- Зееенне* Втгосб&ре&ххтя

накопительное п&зерх- купьчир/кщая

иостмос продпосеснаа

гротисо^ер- обработка п&чеы с созданием

бшоймое уплотненного сею*»ого лака епагозахрылану илее ръ/хпенш

У

* XX _

х \

X. 1

х \ X х

У *

х *х

хЧХ

х X Л х х

4 V

ххх х

X

X

X х х X /Уплотненное ¿вубннод ложе

х * *

>< X х

"" УГГГт

Проникновение накопленной влаги до ивтоо&ого слоя

Рисунок 27 - Схема обработки почвы

Для внедрения данной технологии нами разработан в соответствии с результатами исследований (главы 2, 3, 4) комплекс машин для обработки почвы и посева на склоновых агроландшафтах для тракторов различного тягового класса (таблица 1).

1 аблица 1 - Комплекс машин для выполнения обработки почвы и посева на склоновых

Комплекс машин для тракторов тягового класса по операциям

1,4 2,0 3,0 5,0

1 2 3 4

1. Послеуборочное поверхностное влагостимулирующее рыхление

КиОЭА-гД (Ярославль) БМЗ-15 (Варна) Ки05А-3,3 (Ярославль) БМЗ-24 (Варна) КиОЗА-4,4 (Ярославль) БТИ-21 (Варна) КиОЗА-5,8 (Ярославль) БТИ-21 (Варна)

2.Основная обработка

БДК-Зх2 (Чистополь) КиОЭА-2,2 (Ярославль) КЛДН-2,6 (Варна) ПН-3-35 У (Варна) БДК-4х2 (Чистополь) КиОЭА-З.З (Ярославль) К.ЛДН-4,0,1Ш-4-35 У ПЩ-3 (Варна) ДАКН-3,ЗН, ДАКТ-3,ЗН ДАКН-4Н, ДАКТ-4Н КиО$А-4,4, КСКН-4, КСКТ-4 (Ярославль) К.1ДП-4, КЛДН-6 ГШ-5-35 У, ПЩ-3 (Варна) ДАКН-6П, ДАКТ-бП КСКН-6, КСКТ-б КиОЗА-5,8 (Ярославль) КЛДП-7,2 ПН-8-35 У, ПЩ-5 (Варна)

3. Глубокое влагонаколительное чизельное рыхление

КГ-2,5 (Варна) ПРБ-ЗБ (Ярославль) КГ-3,5 (Варна) ПРБ-4Б (Ярославль) КГ-3,7, КГ-б (Варна)

1 2 _ . 3 4

4. Весеннее поверхностное влагозакрывающее рыхление и влагосберегающая мульчирующая предпосевная обработка почвы с созданием уплотненного семенного ложа

КБМ-4.2Н (Чистополь, Ярославль, Тейково) КБМ-7.2П (Ярославль) КДЦН-2,6, КБМ-7,2ПВ БМЗ-15 (Варна) КБМ-10,5П (Чистополь) КБМ-10.8П (Ярославль) КБМ-7.2Н (Чистополь) КБМ-Ю,5ПО. КЛДН-4, БТИ-21, БМЗ-24 (Варна) КБМ-8Н (Тейково) КБМ-15П (Чистополь) КБМ-14.4ПС (Ярославль) КБМ-10.5П (Ярославль) ЛБК-1О.КБМ-10,5П<Э ЕУВ-24, БГИ-21 (Варна) КУБМ-14,7 (Челябинск) КБМ-19П (Чистополь) КБМ-14.4ПС (Ярославль) КУБМ-14,711 (Челябинск)

5. Посев

СПБМ-6 СПБМ-8 СЗС-2ДД СЗУ-5,4, СКП-2,1 (Варна) СПБМ-12 СПБМ-16 (Варна) ППА-5,4 (Челябинск) ППА-7,2 (Ярославль) КБМ-6Н+СПУ-6+ +РТ-М-160 (Тейково) КСБМ-12,6 (Казань) КБМ-8Н+СБН-8+ +Т-150К (Тейково) КБМ-7,2Н+2СЗП-З,6 (Чистополь, В.Гора РТ) СПБМ-16 (Варна) ППА-14,7 (Челябинск)

6. Обработка посевов

БМЗ-15 (Варна) БМЗ-15,БМ*-24(Варна) БМЗ-24 (Варна)

Для снижения водной и механической эрозии почвы при возделывании пропашных культур нами была разработана технология посева с одновременной полосной обработкой почвы комбинированным агрегатом. Агрегат может всти подготовку почвы тремя способами (рисунок 28) и провести посев на заданную глубину.

У/^.С^Г^ ^ ^ ^Л-М-.

Полевые эксперименты показали, что максимальную урожай-

ность обеспечивает посев комбинированным агрегатом при рыхлении полосы с помощью двух рыхли-тельных лап на глубину основной обработки перед фрезерованием. При этом семена ложатся на твердое семенное ложе и закрываются мелко взрыхленным слоем почвы, а для проникновения корневой системы вглубь с двух сторон имеются глубоко обработанные полосы рыхлителями.

Таким образом, такой способ обработки почвы и посева полностью соответствует биологическим особенностям пропашных культур, в частности кукурузы. При этом при ливневый поток воды с необработанной полосы стекает в обработанную и впитывается в корневую систему растений. Урожайность зеленой массы кукурузы на контроле, возделываемой по существующей технологии культуры, составила 236 ц/га, а по разработанной - 363 ц/га. Кроме того, предлагаемая технология полностью исключила водную и механическую эрозии почвы.

а - фрезерование на глубину заделки семян; б -фрезерование с предварительным рыхлением почвы стрельчатой лапой; в - фрезерование с предварительным рыхлением почвы двумя рыхлитель-ными лапами

Рисунок 28 - Профиль дна борозды при посеве комбинированным агрегатом

Для осуществления обработки почвы, посева, внесения удобрений и почвенных гербицидов разработан и изготовлен комбинированный агрегат (А.с.№ 1644749).

Таким образом, на основе исследований проведено совершенствование технологий возделывания зерновых и пропашных культур и рекомендован комплекс машин для ее осуществления на основе существующих и разработанных машин. Предложенные технологии резко снижают или устраняют как водную, так и механическую эрозии почвы.

В шестой главе «Рекомендации производству и технико-экономическая эффективность» приведены технические характеристики разработанных машин и рабочих органов, проведена экономическая оценка эффективности внедрения разработанного комплекса машин и даны рекомендации производству по снижению деградации почвы.

Проведенные исследования позволили установить, что для снижения водной и механической эрозии на склоновых агроландшафтах рекомендуется:

- независимо от крутизны склона провести послеуборочное поверхностное влагостимулирующее рыхление игольчатыми и ножевыми рабочими органами. При традиционной технологии возделывания необходимо отказаться от дисковых лущильников и дискаторов, используя для лущения стерни игольчатые бороны.

- на склонах с крутизной 2-5°:

- при традиционной технологий для основной отвальной обработки почвы необходимо использовать оборотные плуги с отваливанием пласта только вверх по склону.

- переходить к безотвальной системе основной обработки почвы плоскоре-зами-щелевателями и чизелями;

- при отсутствии угрозы возникновения водной эрозии необходимо осуществлять обработку почвы при движении агрегата относительно горизонтали поля под углом 9 = 90 ± 35° и 0 ~ 270 ± 35°;

- использовать стрельчатые лапы с минимальными углами у и е (2у = 60-65° и в = 20°).

- на склонах свыше 5°:

- использовать для основной обработки почвы чизели, чизельные культиваторы и тяжелые культиваторы с рыхлительными рабочими органами;

- использовать для закрытия влаги и предпосевной обработки культиваторы с рыхлительными рабочими органами или тяжелые игольчатые и ножевые бороны;

- установить при посеве на лаповые сошники направители почвы.

Расчеты показали, что технология прямого посева практически исключает

механическую эрозию. Однако даже при прямом посеве на склонах необходимо провести осеннюю чизельную обработку поперек склона для уменьшения стока воды и накопления почвенной влаги за счет осенних дождей и талых вод.

При возделывании пропашных культур рекомендуется произвести полосную обработку почвы осенью или весной, непосредственно при посеве, совмещая операции обработки почвы и посева.

Расчеты экономической эффективности показали, что переход к рекомендуемым ресурсосберегающим технологиям по сравнению с традиционными технологиями за счет уменьшения количества механических обработок почвы и снижения удельного тягового сопротивления орудий повышает рентабельность производства зерновых культур с 12,9 % до 37,9-40,4 %.

Замена при предпосевной обработке культиваторов КПС-4 на КБМ-7,2ПГ приводит к снижению расхода топлива с 4,1 кг/га до 1,8 кг/га, причем поля, обработанные культиваторами КБМ-7,2ПГ дают повышение урожайности пшеницы на 3,2 ц/га и подсолнечника — на 2,3 ц/га, что в итоге дает экономический эффект в расчете на 1 га при 1303 руб./га и 1633 руб./га при возделывании пшеницы и подсолнечника, соответсвенно.

Разработанные с участием автора, испытанные и внедренные в производство машины, а также экономическая эффективность их внедрения представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Разработанные машины и экономическая эффективность их

внедрения

№ п/п Количество Экономическая эф-

Марка машины изготовленных фективность внедре-

машин, шт. ния, тыс. руб.

1 КУБМ-14,7 430 90429

2 Дискаторы ПДУ-6х4 «Ермак» 290 17400

3 ППА-5,4 1 17

4 ППА-7,2 1 17,7

5 БТИ-21, БЗН-15, БЗН-24 70 20825

6 КБМ-7,2, КБМ-10 60 19200

7 КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДП-7,2 105 24990

8 СКП-2,1 350 21000

9 СПБМ-б, СПБМ-8 15 517,5

10 Плуги со сменными раб. органами 25 210

11 Чизельные рыхлители КГ-3,7 18 3240

12 Чизельные рыхлители КГ-б 12 1980

Общий годовой экономический эффект от внедрения разработанных машин составляет 199,8 млн. рублей.

Основные выводы

1. На основе анализа производственных ситуаций и выполненных исследований установлено, что снижение эрозионных процессов почвы при возделывании сельскохозяйственных культур на склонах возможно не только за счет применения специальных технологических приемов обработки почвы и посева, но и за счет изменения конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин. В качестве оценочного параметра величины механической эрозии рекомендуется использовать разность смещений почвы рабочим органом вниз и вверх по склону.

Установлено, что основными причинами смещения почвы на склонах при работе почвообрабатывающих и посевных машин являются:

- крутизна склона;

- несимметричное смещение почвы рабочим органом вверх и вниз по склону;

- направление движения агрегата по склону;

- параметры рабочего органа;

- дополнительная боковая сила, действующая на пласт вдоль склона вниз.

2. Раскрыты механико-технологические основы возникновения и протекания механической эрозии на склоновых агроландшафтах. Разработана математическая модель процесса механической эрозии почвы с учетом конструктивно-технологических параметров рабочего органа, крутизны склона поля и направления движения агрегата, которая позволила установить:

- зависимость механической эрозии почвы от крутизны склона £Г2 и углов у и е рабочего органа;

- зависимость смещения почвы и механической эрозии от направления движения агрегата относительно горизонтали поля. При этом максимальное смещение почвы нижним крылом рабочего органа (Д1) происходит при движении агрегата под углом 6 = 45+70° к горизонтали поля;

- критическую крутизну склона Г2кр, при достижении которой оба крыла стрельчатой лапы начинают смещать почву вниз по склону. Для стрельчатой лапы с параметрами у = 50° и е =20° Пкр= 7,6°, а при у = 50° и г =30° Пкр= 11°;

- направления движения агрегата относительно горизонтали поля, обеспечивающих минимальную механическую эрозию почвы - для стрельчатых рабочих органов 90±35°, для односторонних рабочих органов 120±40°.

3. Разработана математическая модель технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой с учетом особенностей их работы на склонах. Обоснованы области расчета, начальные и граничные условия модели с учетом конструктивно-технологических параметров рабочих органов, физических свойств почвы, крутизны склона и направления движения орудия. Решение разработанной модели и анализ полученных данных позволяют обосновать параметры стрельчатых лап, обеспечивающих снижение механической эрозии при работе на склонах - угол раствора лапы 2у=60...65°, угол установки лемеха ко дну борозды е=20°. Для дальнейшего снижения механической эрозии и уменьшения ширины развальной борозды рекомендуется устанавливать на крыло стрельчатой лапы на-правители. При установке направителей по направлению движения, ширина развальной борозды, образуемая при проходе рабочего органа, снижается на 15...20 %, а при установке под углом 10° — до 30 %.

4. Установлено, что равномерность высева семян пневматическими высевающими аппаратами на склонах зависит от равномерности скорости воздушного потока на выходе из вентилятора. На основе разработанной математической модели процесса работы центробежного вентилятора определены числа Рейнольдса в межлопаточном пространстве вентиляторов пневматических систем зерновых сеялок Яе = 20000...270000. Установлено, что равномерность скорости воздуш-

ного потока на выходе из нагнетательного канала повышается при использовании вентилятора с 24 лопатками.

5. Разработана расчетная схема и математическая модель процесса работы пневматической системы почвообрабатывающе-посевной машины, в котором процесс взаимодействия воздушного потока с семенным материалом рассмотрен в виде гетерогенного двухфазного течения «газ - твердые частицы». Для реализации данной модели обоснованы:

- объемные концентрации семян ас= 0,0003.. .0,0015;

- число Рейнольдса семян Яср= 980....4800;

- коэффициент сопротивления семян Сп = 0,35.. .0,50;

- скорость движения воздушного потока для обеспечения транспортировки семян различных культур = 17.. .24 м/с.

На основе реализации разработанной модели установлено, что неравномерность распределения семян по сошникам с увеличением крутизны склона повышается. Для обеспечения равномерности рекомендуется устанавливать в вертикальной трубе распределителя во взаимно перпендикулярных плоскостях четыре выравнивателя потока воздуха и семян, что обеспечивает коэффициент вариации скорости воздушного потока Кв = 0,03...0,045 и скорости семян Кс=0,07...0,09.

Для исключения выброса семян на поверхность почвы воздушным потоком при работе посевной машины на склонах рекомендуется устанавливать перед сошником отделитель воздуха, который обеспечивает снижение давления воздуха без уменьшения скорости падения семян в борозду.

6. Установлено, что общее смещение верхнего слоя почвы за сезон при традиционной технологии возделывания зерновых культур достигает на склоне 2° -56 мм, на склоне 4° - 103 мм и на склоне 6° - 145 мм. При внедрении рекомендуемой энергосберегающей технологии за счет уменьшения количества обработок и подбора параметров рабочих органов даже на склонах 6° механическая эрозия верхнего слоя почвы не превышает 15 мм.

Рекомендуемая технология обработки почвы включает в себя уборку зерновых с разбрасыванием соломы, осеннее послеуборочное поверхностное влагоак-кумулирующее рыхление по стерне на глубину 3-5 см, основное зяблевое безоборотное влагопоглощающее рыхление пахотного слоя на глубину 10-30 см или глубокое влагонакопительное чизельное рыхление на глубину 35-45 см, весной -поверхностное влагозакрывающее рыхление на глубину заделки семян и влагос-берегающую, мульчирующую, выравнивающую предпосевную обработку с созданием уплотненного семенного ложа и вычесыванием сорняков в начальной стадии их развития, что позволяет создать стабильный тепловлаговоздушный режим в посевном слое. Для исключения механической эрозии при обработке почвы необходимо использовать для основной обработки почвы чизели, чизельные культиваторы или тяжелые культиваторы с рыхлительными рабочими органами, для закрытия влаги и предпосевной обработки - культиваторы с рыхлительными рабочими органами или игольчатые и ножевые бороны.

7. Для снижения механической и водной эрозий при возделывании пропашных культур рекомендуется произвести полосную обработку почвы осенью или

весной, непосредственно при посеве, совмещая операции обработки почвы и посева.

Для осуществления данной технологии разработан и изготовлен комбинированный почвообрабатывающе-посевной агрегат, который выполняет за один проход полосную обработку почвы, посев семян пропашных культур и внесение удобрений и почвенных гербицидов. Обоснованы основные технологические и конструктивные параметры агрегата: ширина междурядья - 70 см, ширина обработанной полосы - 30 см, расстояние между рыхлительными лапами 22 см. Результаты исследований показали, что разработанный агрегат за один проход выполняет все операции по возделыванию кукурузы, устраняет механическую эрозию и смыв почвы на склонах и повышает урожайность зеленой массы кукурузы.

8. Результаты исследований по обоснованию параметров рабочих органов и машин для обработки почвы и посева на склонах переданы на предприятия ООО «Варнаагромаш» и ЗАО ИПП «ТехАртКом» для изготовления. Выпущены почвообрабатывающие и посевные машины с рекомендуемыми рабочими органами:

В ООО «Варнаагромаш»:

- культиваторы КЕМ -7,2, КБМ-10 - 60 шт;

- культиваторы КЛДП-4, КЛДН-6, КЛДП-7,2 -105 шт;

- бороны БТИ-21, БЗН-15, БЗН-24 -70 шт;

- почвообрабатывающе-посевные агрегаты ППА -2 шт;

- сеялки СКП-2,1 - 350 шт;

- сеялки СПБМ-6, СПБМ-8 - 15 шт ;

- чизельные рыхлители КГ-3,7, КГ-6 - 30 шт.

В ЗАО ИПП «ТехАртКом»:

- культиватора КУБМ-14,7 - 430 шт.

Проведена оценка эффективности разработанных почвообрабатывающих и посевных машин. Результаты испытаний показали их соответствие назначению и агротехническим требованиям при работе на склонах и предложены к серийному производству.

Внедрение разработанных технологий с использованием рекомендуемых машин по сравнению с традиционными технологиями повышает рентабельность возделывания зерновых культур с 12,9 до 40,4 %.

Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых машин подтвержден актами внедрения и составляет 199,8 млн. рублей в год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах

Публикации в рецензируемых изданиях и журналах

1. Рахимов, З.С. Эффективность плоскорезов-щелевателей [Текст] / Любимов А. И., Рахимов Р. С., Рахимов 3. С. // Земледелие. - 1989. - № 6. - С. 56-58.

2. Рахимов, З.С. Универсальное орудие для безотвальной обработки почвы [Текст] / Рахимов З.С. [н др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины - 2004 - № 5.-С. 10-11.

3. Рахимов, З.С. Механическая эрозия почвы на склонах [Текст] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. - № 5. - С. 37-38.

4. Рахимов, З.С. Эксплуатация почвообрабатывающих и посевных машин на склонах [Текст] // Достижения науки и техники АПК. - 2005. - № 8. -С. 39-40.

5. Рахимов, З.С. Сравнение эффективности технологий и комплексов техники по производству зерна [Текст] / Мазитов Н. К. , Мирсаетов X. М„ Миргунов X. М., Измайлов А. Ю., Сахапов Р. Л., Рахимов Р. С. // Достижения науки и техники АПК. - 2005. -№8.-С. 11-13.

6. Рахимов, З.С. Комбинированный агрегат для посева кукурузы на склонах [Текст] // Достижения науки и техники АПК. - 2005. - № 10. - С. 39-40.

7. Рахимов, З.С. Противоэрозионная обработка почв па склонах [Текст] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2005. - № 11. - С. 8-9.

8. Рахимов, 3. С, Блочно-модульные культиваторы «Ярославич» [Текст] / Мазитов Н. К., Боровицкий М. В., Хаецкий Г. В., Мирсаетов А. Г, Сахапов Р. Л., Садриев Ф. М., Рахимов 3. С. // Достижения науки и техники АПК. - 2005. - № 12. - С. 2-5.

9. Рахимов, 3. С. Ярославская технология нулевого посева [Текст] / Мазитов Н. К., Боровицкий М. В., Хаецкий Г. В., Куликов Я. Я., Мирсаетов А. Г., Рахимов 3. С.// Достижения науки и техники АПК. - 2005. - № 12. - С. 5-6.

10. Рахимов, 3. С.Прибор для определения траектории перемещения частиц почвы [Текст] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 2. - С. 24-25.

11. Рахимов, З.С. Эволюция посевных комбайнов [Текст] / Мазитов Н. К., Боровицкий М. В., Хаецкий Г. В., Хлызов Н. Т., Мирсаетов А. Г., Садриев Ф. М., Сахапов Р. Л., Рахимов 3. С. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 3. - С. 3-5.

12. Рахимов, З.С. Комплекс машин для обработки почвы в интенсивных слаборослых садах и огородах [Текст] / Мазитов П. К., Завражнов А. И., Манаенков К. А., Шарафиев Л. 3., Рахимов 3. С. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. -№ 5. - С. 24-25.

13. Рахимов, З.С. Посевной комплекс «Ярославич» [Текст] / Мазитов П. К., Боровицкий М. В., Мирсаетов А. Г., Рахимов 3. С. // Техника и оборудование для села. -

2006. -№3,- С. 22-24.

14. Рахимов, З.С. Методика разработки блочно-модульных почвообрабатывающих и посевных машин [Текст] / Мазитов Н. К., Ковалев Н. Г., Садриев Ф. М., Алфеев В. Р., Измайлов А. Ю., Шарафеев Л. 3., Рахимов 3. С. // Земледелие. - 2006. - № 3. - С. 6-7.

15. Рахимов, З.С. Эффективный посевной комплекс для производства зерна и мелкосеменных культур [Текст] / Мазитов Н. К., Ковалев Н. Г., Хаецкий Г. В., Рахимов 3. С. // Земледелие. - 2006. - № 3. - С. 44-45.

16. Рахимов, З.С. Критерий выбора целесообразности комплекса техники и технологии производства зерна [Текст] / Мазитов Н. К., Измайлов А. Ю., Сахапов Р. Л., Мазитов Р. Н., Мирсаетов А. Г., Рахимов 3. С. // Доклады Российской академии с.-х. наук. - 2006. - № 3. - С. 62-64

17. Рахимов, З.С. Оценка технологического процесса обработки почвы на основе уравнений динамики сплошных средств [Текст] / Мударисов С. Г., Рахимов 3. С. Яма-летдинов М. М., Фархутдинов И. М. // Достижения науки и техники АПК. - 2010. - № 1. -С. 63-65.

18. Рахимов, З.С. Теоретические основы проектирования унифицированных блочно-модульных почвообрабатывающих машин [Текст] / Мазитов Н. К., Шарафиев Л.

3., Садриев Ф. М., Дмитриев С. Ю„ Рахимов 3. С.// Вестник БГАУ. - 2013. - № 2 (26). -С. 93-98.

19. Рахимов, 3. С.Влияние конструктивно-технологических параметров рабочего органа на смещение почвы и на механическую эрозию при работе на склонах [Текст] // Известия Международной академии аграрного образования. - 2013. Вып. 17. - С. 108112.

Монографин

20. Рахимов, 3. С.Влияние технологий и машин на эрозионные процессы при обработке склонов [Текст] : монография / Рахимов 3. С. - Уфа, 2006. - 152 с.

21. Система ведения агропромышленного производства в Республике Башкортостан [Текст] : монография / Гусманов У. Г. [и др.]. -Уфа : АН РБ ; Гилем, 2012. - 528 с.

Рекомендации

22. Защита почвы от эрозии и современные почвообрабатывающие машины в системе адаптивно-ландшафтного земледелия Башкортостана [Текст] : рекомендации / Си-раев М. Г. [и др.]. -Уфа : БГАУ, 2002. - 87 с.

23. Ресурсосберегающие технологии возделывания сельскохозяйственных культур в Башкортостане [Текст] : рекомендации / Кираев Р. С. [и др.]. - Уфа : БГАУ, 2007 -80 с.

24. Почвообрабатывающий и посевной комплекс для энерго-, ресурсосберегающего производства продукции растениеводства [Текст] : рекомендации / Ю. В. Лачуга [и др.] // Министерство сельского хозяйства Российской Федерации. - М. : ООО «Столичная типография», 2008. - 120 с.

25. Системы обработки почвы в севооборотах степных и лесостепных агроланд-шафгов Башкортостана. Результаты опытов и предложения производству [Текст] / Си-раев М. Г. [и др.]. - Уфа, 2009. - 112 с.

26. Рахимов, 3. С. Настройка и регулировка сельскохозяйственных машин. Практические рекомендации [Текст] / Мударисов С. Г., Шайхетдинов Ф. Р., Рахимов 3. С. -Уфа : Башкирский ГАУ, 2013. - 83 с.

Статьи в сборниках научных трудов и материалах научных конференций

27. Рахимов, 3. С. Механическая эрозия при обработке почвы на склонах [Текст] / Рахимов 3. С.// Динамика почвообрабатывающих агрегатов и рабочие органы для обработки почвы : сб. науч. тр. ЧИМЭСХ. - Челябинск : ЧИМЭСХ, 1982. - С. 24-29.

28. Рахимов, 3. С. Некоторые результаты исследований обработки почвы на склонах [Текст] / Рахимов 3. С. // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. науч. тр. ЧИМЭСХ. - Челябинск : ЧИМЭСХ, 1983. - С. 34-35.

29. Рахимов, 3. С. Показатели работы комбинированного агрегата для полосного посева кукурузы [Текст] / Рахимов 3. С. //Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов : сб. науч. тр. ЧИМЭСХ. - Челябинск : ЧИМЭСХ, 1986. - С. 84-86.

30. Рахимов, 3. С. Пути снижения механической эрозии при обработке склонов [Текст] / Рахимов 3. С. // Тезисы докладов на ХЬ науч.-техн. конф. / ЧГАУ. - Челябинск : ЧГАУ, 2000. - С. 148-149.

31. Бледных В. В. Сущность появления механической эрозии почв при обработке склонов [Текст] / Бледных В. В., Рахимов 3. С. // Сб. науч. тр. факультета механизации сельского хозяйства, посвященный 50-летию факультета. - Уфа : БГАУ, 2001. -С. 80-87.

32. Рахимов, Р. С. Направление развития почвообрабатывающих и посевных машин на современном этапе [Текст] / Рахимов Р. С., Мударисов С. Г., Рахимов 3. С. // Материалы международ, науч.-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России». - Уфа : БГАУ, 2002. - С. 264-267.

33. Рахимов, 3. С. Работа на склонах комбинированного агрегата с полосной обработкой почвы [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы международ, науч.-практ. конф. «Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания». - Уфа : БГАУ, 2002. - С. 311-314.

34. Мударисов, С. Г. Обоснование конструкции модульной стерневой сеялки-культиватора [Текст] / Мударисов С. Г., Рахимов 3. С., Султанов Ш. М. // Материалы международ, науч.-практ. конф. «Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания».-Уфа : БГАУ, 2002. - С. 299-301.

35. Рахимов, 3. С. К вопросу обработки почвы и посева на склонах [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы всероссийской науч.-практ. конф. «Повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса»,- Уфа: БГАУ, 2005. - С. 63-65.

36. Рентабельность - основной критерий сравнения эффективности технологий и комплексов техники по производству зерна [Текст] / Мазитов II. К., Мирсаетов А. Г., Миргунов X. М., Измайлов А. Ю., Сахапов Р. Л., Рахимов 3. С. // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. «Пути мобилизации биологических ресурсов повышения продуктивности пашни, энергосбережения и производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции», посвященной 85-летию ТатНИИСХ и 1000-летию Казани. - Казань: Изд-во «Фолианть», 2005. - С. 216-224.

37. Рахимов, 3. С.Обоснование минимальной обработки почвы на склонах [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы Всероссийской науч.-практ. конференции «Пути мобилизации биологических ресурсов повышения продуктивности пашни, энергосбережения и производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции», посвященной 85-летию ТатНИИСХ и 1000-летию Казани. - Казань : Изд-во «Фолианть», 2005. - С. 229-233.

38. Татарстанско-Ярославо-Уральский посевной комплекс для энергосберегающей и нулевой технологий возделывания зерновых и масличных культур [Текст] /' Мазитов Н. К., Мирсаетов А. Г., Хаецкий Г. В., Садриев Ф. М„ Сахапов Р. Л., Рахимов 3. С.// Нива Татарстана. - 2005. - № 4-5. - С. 39-41.

39. Конструкции и агрегатирование ярославского комплекса блочно-модульных культиваторов [Текст] / Мазитов Н. К., Черкасов В. В., Садриев Ф. М., Сахапов Р. Л., Рахимов И. Р., Мирсаетов А. Г., Рахимов 3. С. // Вестник ЧГАУ. - 2005. - Т. 46. - С. 142-146.

40. Мирсаетов, А. Г. Выбор критерия экономической эффективности социально-экономические проблемы становления и развития рыночной экономики [Текст] / А. Г. Мирсаетов, Р. Л. Сахапов, 3. С. Рахимов // Тезисы докладов итоговой науч.-практ. конф., посвященной 75-летию КГФЭИ. 2006. - С. 80—82.

41. Рахимов, 3. С. Совершенствование технологий и машин для минимальной обработки почвы и посева [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы всероссийской науч.-практ. конф. «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК». - Уфа : БГАУ, 2006. - С. 90-93.

42. Файрушин, Д. 3. Совершенствование технологий и технических средств почвозащитной обработки в Башкортостане [Текст] / Файрушин Д. 3., Сираев М. Г., Рахи-

мов 3. С. // Материалы международной науч.-практ. конф., посвященной 110-летию со дня рождения Т.С. Мальцева «Роль современных технологий в устойчивом развитии АПК». - Курган : типография «Дамми», 2006. - С. 383-388.

43. Файрушин, Д. 3. Агротехническая оценка адаптированности средств механизации для обработки почвы и посева по почвозащитным и энергосберегающим технологиям [Текст] / Файрушин Д. 3., Рахимов 3. С., Акчурин P. JL, Атнагулов Д. Т. // Вестник БГАУ. - 2007. - № 6. - С. 19-21.

44. Рахимов, 3. С. Энерго- и ресурсосберегающие технологии и технические средства обработки почвы и посева [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы всероссийской науч.-практ. конф. «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения». - Уфа : ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2008. - С. 3-17.

45. Определение возможности математического описания процесса работы пневматических систем сельскохозяйственных машин как гетерогенная двухфазная среда «газ -твердые частицы» [Текст] / Мударисов С. Г., Рахимов 3. С., Шарафутдинов А. В., Муха-метдинов А. М. // Материалы XLIX международной науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2010. - С. 80-82.

46. Критерии оценки технологического процесса для реологических моделей почвы [Текст] /Мударисов С. Г., Рахимов 3. С., Ямалетдинов М. М., Фархутдинов И. М. // Материалы XLIX международной науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2010. - С. 123-127.

47. Определение граничных условий при численном моделировании технологического процесса обработки почвы в Flow Vision [Текст] /'Мударисов С. Г., Рахимов 3. С., Ямалетдинов М. М., Фархутдинов И. М. // Материалы XLIX международной науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2010.-С. 154-160.

48. Рахимов, 3. С. Оценка технологического процесса обработки почвы на основе реологических моделей [Текст] / Рахимов 3. С., Ямалетдинов М. М. // Материалы международной науч.-практ. конф., посвященной 80-летию ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ «Состояние, проблемы и перспективы развития АПК». - Уфа : ФГОУ ВПО « Башкирский ГАУ», 2010.-С. 116-118.

49.Рахимов, 3. С. Особенности взаимодействия рабочего органа сельскохозяйственных машин с почвой при работе на склонах [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы международной науч.-практ. конф. «Инновационному развитию агропромышленного комплекса - научное обеспечение». - Уфа : ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, 2012. - С. 384-386.

50. Рахимов, 3. С.Обоснование области расчета математической модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой при работе на склонах [Текст] / Рахимов 3. С. // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., посвященной 80-летию со дня рождения известного ученого, профессора А.П. Иофинова «Роль науки в инновационном развитии АПК». - Уфа : Башкирский ГАУ, 2012. - С. 66-70.

51. Мударисов, С. Г. Обоснование параметров вентилятора зерновой пневматической сеялки на основе математической модели технологического процесса [Текст] / Мударисов С. Г., Рахимов 3. С., Бадретдинов И. Д. // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК». -Уфа : Башкирский ГАУ, 2013. - С. 200-204.

52. Мударисов, С. Г. Реализация математической модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой при работе на склонах [Текст] / Мударисов С. Г., Рахимов

3. С., Фархутдинов И. М. // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК». — Уфа : Башкирский ГАУ, 2013. - С. 205-213.

53. Теоретические основы проектирования унифицированных блочно-модульных почвообрабатывающих машин [Текст] / Мазитов Н. К., Шарафиев J1. 3., Садриев Ф. М., Рахимов 3. С., Дмитриев С. Ю., Садриев Р. Ф., Галяутдинов Н. X. // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК». -Уфа : Башкирский ГАУ, 2013. - С. 30—41.

Патенты и авторские свидетельства

54. А. с. 1644749 SU, А 01 В 59/04, 49/02. Сельскохозяйственный агрегат [Текст] /

A. И. Любимов, В. В. Бледных, X. С. Гайнанов, Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников, 3. С. Рахимов (СССР). -№ 4619161/15 ; заявл. 14.12.88 ; опубл. 30.04.91, Бюл. № 16.

55. Пат. на полезную модель 48691 РФ, А 01 С 7/20. Лаповый сошник [Текст] / С. В. Стоян, С. Г. Мударисов, Р. С. Рахимов, С. П. Алабугин, 3. С. Рахимов, И. Р. Рахимов, Н. И. Разбежкин (Россия). - № 2005118506/22 ; заявл. 14.06. 2005 ; опубл. 10.11.2005, Бюл. №31.

56. Пат. на полезную модель 53100 РФ, А01В 354/26. Рабочий орган плоскореза-рыхлителя [Текст] / С. В. Стоян, С. Г. Мударисов, Р. С. Рахимов, С. П. Алабугин, 3. С. Рахимов, И. Р. Рахимов, Н. И. Разбежкин (Россия). - № 2005118505/22 ; заявл. 14.06. 2005 ; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13.

57. Пат. на полезную модель 56106 РФ, А01В 15/08. Корпус плуга [Текст] / С. В. Стоян, С. Г. Мударисов, Р. С. Рахимов, С. П. Алабугин, 3. С. Рахимов, И. Р. Рахимов, П. И. Разбежкин, Ш. М. Султанов (Россия). - № 2006104151/22 ; заявл. 10.02.2006 ; опубл. 10.09.2006, Бюл. № 25.

58. Пат. на полезную модель 51331 РФ, А 01 В 73/00. Широкозахватный модуль-но-блочный сельскохозяйственный агрегат [Текст] / С. В. Стоян, С. П. Алабугин, Р. С. Рахимов, В. В. Бледных, Н. К. Мазитов, Ю. Ф. Лачуга, И. Р. Рахимов, М. Н. Мазитов, Г.

B. Хаецкий, М. В. Корочкин, А. А. Антюшин, И. Г. Смирнов, 3. С. Рахимов (Россия). -№ 2005103958/22 ; заявл. 14.02.2005 ; опубл. 10.02.2006, Бюл. № 4.

59. Пат. на полезную модель 120839 РФ, А 01 С 7/20. Почвообрабатывающе-посевное орудие [Текст] / Л. 3. Шарафиев, Н. К. Мазитов, Р. С. Багманов, М. Ш. Таги-ров, Р. Л. Сахапов, Н. Т. Сорокин, 3. С. Рахимов, X. X. Шайдуллин, И. Г. Смирнов, С. Ю. Дмитриев, В. Н. Коновалов, Г. В. Хаецкий, Д. М. Сайданов, Р. Р. Вафин (Россия). -№2011137790/13 ; заявл. 13.09.2011 ; опубл. 10.10.2012, Бюл. №28.

Подписано в печать 27.0r.20щ. Формат бумаги 60x84Vi6. Усл. печ. л. 2,52 Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура «Тайме». Заказ г$. Тираж roo ní*.

РИО ФГБОУ ВПО БГАУ, 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

0Э201^ЭООУЛ РАХИМОВ Зиннур Саетович

УДК 631.331; 631.316; 631.512

РАЗРАБОТКА ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ПОСЕВА НА СКЛОНОВЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор МУДАРИСОВ С.Г.

Уфа-2013

/ У

/

\

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. . 14

1.1 Причины возникновения и особенности деградационных процессов почв на склонах................................................ 14

1.2 Современное состояние технологий подготовки почвы и посева. ... 25

1.3 Направления совершенствования почвообрабатывающих и посевных машин............................................... 27

1.3.1 Агротехнические требования к обработке почвы и посеву сельскохозяйственных культур.............................. 27

1.3.2 Классификация и сравнительный анализ почвообрабаты-вающе-посевных машин................................... 32

1.3.3 Анализ теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия рабочих органов с почвой............. 42

1.3.4 Анализ теоретических исследований процесса работы пневматических распределительных систем................... 45

1.4 Состояние проблемы и задачи исследования..................... 50

ГЛАВА 2 МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ НА СКЛОНОВЫХ

АГРО ЛАНДШАФТ АХ.......................................... 53

2.1 Механико-технологические основы смещения почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах............................................... 53

2.1.1 Факторы, влияющие на смещение почвы рабочим органом . . 53

2.1.2 Влияние направления движения агрегата и крутизны склона

на технологические параметры рабочего органа............... 56

2.1.3 Математическое описание движения почвы по рабочему органу при работе на склонах................................ 70

/

2.2 Математическая модель процесса механической эрозии почвы на склонах.................................................... 79

2.3 Аналитическая оценка механической эрозии почвы при работе

почвообрабатывающих и посевных машин на склонах............... 82

Выводы по главе............................................... 91

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА СКЛОНОВЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ..... 93

3.1 Математическая модель технологического процесса обработки почвы на склоновых агроландшафтах............................. 93

3.1.1 Обоснование области расчета математической модели технологического процесса обработки почвы................... 93

3.1.2 Начальные и граничные условия математической модели технологического процесса обработки почвы на склонах......... 98

3.1.3 Методика реализации математической модели процесса обработки почвы на ЭВМ.....................^.............. 104

3.2 Экспериментальная оценка перемещения почвы рабочим органом. . 112

3.2.1 Методика экспериментального определения перемещения почвы................................................... 112

3.2.2 Лабораторная установка для исследований процесса перемещения почвы рабочим органом......................... 117

3.2.3 Экспериментальное определение смещения почвы рабочим органом..................................................................................................121

3.3 Проверка адекватности математической модели....................................126

3.4 Реализации математической модели технологического процесса и

обоснование параметров рабочих органов....................................................130

Выводы по главе............................................................................................138

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОЧВО-ОБРАБАТЫВАЮЩЕ-ПОСЕВНЫХ МАШИН....................... 140

4.1 Условия применения методов динамики двухфазных сред для математического описания работы пневматической системы сеялки. ... 140

4.2 Математическая модель процесса работы центробежных вентиляторов пневматических систем сеялок....................... 146

4.3 Математическая модель технологического процесса работы распределительной системы зерновой пневматической сеялки......... 149

4.3.1 Расчет рабочей скорости воздушного потока и объемной концентрации семян........................................ 149

4.3.2 Обоснование принятых упрощений и допущений модели .... 158

4.3.3 Определение режимов течений и характеристик воздушно-зерновой смеси в пневматической системе...................... 160

4.3.4 Обоснование области расчета математической модели процесса работы пневматической системы...................... 168

4.3.5 Численная реализация математической модели процесса работы пневматической системы.............................. 170

4.4 Обоснование параметров пневматической системы почвообрабаты-вающе-посевной машины для работы на склоновых агроландшафтах. . 174

Выводы по главе.............................................. 181

ГЛАВА 5 ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЛЕКСЫ МАШИН ДЛЯ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ЗЕРНОВЫХ И ПРОПАШНЫХ КУЛЬТУР НА СКЛОНОВЫХ

АГРОЛАНДШАФТАХ.......................................... 184

5.1 Влияние технологических приемов на снижение эрозионных процессов в почве.............................................. 184

5.1.1 Влияние технологий и машин на механическую эрозию почвы................................................... 184

5.1.2 Влияние технологий и машин на водную эрозию............ 189

5.2 Обоснование технологий для возделывания зерновых культур на склоновых агроландшафтах...................................... 193

5.2.1 Результаты сравнительных опытов различных технологий возделывания зерновых культур............................. 193

5.2.2 Перспективные направления совершенствования технологий возделывания зерновых культур.............................. 210

5.2.3 Рекомендуемые технологии и комплекс машин для возделывания зерновых культур.............................. 216

5.3 Обоснование технологии и технических средств для обработки

почвы и посева пропашных культур на склонах..................... 225

Выводы по главе.............................................. 236

ГЛАВА 6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.......................... 240

6.1 Характеристики разработанных машин......................... 240

6.2 Рекомендации производству по снижению деградации почвы....... 244

6.3 Технико-экономическая эффективность разработанных технологий

и машин...................................................... 249

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................... 254

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................ 259

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................... 284

ВВЕДЕНИЕ

Сохранение почвы от деградации при возделывании сельскохозяйственных культур остается важнейшей проблемой сельскохозяйственного производства. Если во всех полях происходят машинная деградация почвы, дегуми-фикация, подкисление, истощение почвы, то при расположении сельскохозяйственных угодий на склонах деградационные процессы усиливаются за счет эрозий почвы.

Республика Башкортостан относится к регионам с сильно развитыми эрозионными процессами почвы - около 60% сельскохозяйственных угодий подвержены эрозиям. Это связано с тем, что 30,5% пашни расположены на склонах свыше 3°.

На склонах из-за водной эрозии происходит вынос почвы с полей. Поэтому в настоящее время для всех природно-климатических зон разработаны мероприятия по борьбе с водной эрозией, которые дают ощутимые результаты.

Однако выносу почвы способствует в не меньшей мере механическая эрозия почвы, возникающая за счет сталкивания почвы вниз по склону рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин при каждой обработке. Механическая эрозия с годами оголяет верхнюю часть склонов от гумуса и плодородной почвы и намного усиливает водную эрозию.

Кроме этого, при работе почвообрабатывающих и посевных машин на склонах меняется характер технологического процесса многих операций обработки почвы и посева. Так на склонах меняются технологические параметры рабочих органов, и возникает боковая сила, действующая на пласт почвы и приводящая к его смещению вниз по склону.

Изменение положения рамы почвообрабатывающе-посевной машины в зависимости от уклона поля ведет к повышению неравномерности распределения семян по рядкам и к нарушению процесса закрытия борозд слоем почвы. Один из основных качественных показателей - неравномерность распределения семян по сошниками у посевных комплексов с пневматическим высе-

вом при посеве на равнине составляет 4...8%, а на склонах повышается до 12... 18% [205].

Несмотря на эти проблемы, борьба с деградацией почвы в настоящее время проводится в основном лишь путем корректировки технологий возделывания сельскохозяйственных культур и направления движения агрегатов по склону, а технические средства разрабатываются для работы на равнинных аг-роландшафтах.

Технические средства и технологии возделывания сельскохозяйственных культур требуют дальнейшего совершенствования для применения на склонах. Однако до настоящего времени не раскрыты технологические основы возникновения механической эрозии, что затрудняет выбор конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин и технологий обработки.

Как сказал Кирюшин В.И. [66], «дальнейшая разработка этой проблемы сопряжена с развитием математического и физического моделирования эрозионных процессов и способов их преодоления».

Чтобы при разработке машин учесть особенности их работы на склонах необходимо создать математические модели процессов возникновения и протекания механической эрозии, взаимодействия рабочего органа с почвой, а также движения семян в пневматической системе сеялок.

Для существенного уменьшения эрозий почвы приходится совершенствовать не только рабочие органы, но и технологии обработки почвы и посева. Изменение технологий особенно востребовано при возделывании пропашных культур, которые сильно подвержены эрозионным процессам за счет многократного прохода орудий по полю. При совершенствовании технологий возделывания зерновых культур необходимо учесть, что они должны быть не только почвозащитными, но и энерго- и ресурсосберегающими.

Цель исследований: повышение эффективности возделывания зерновых и пропашных культур и снижение эрозий почвы на склоновых агроланд-

шафтах путем совершенствования технологий и конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающих и посевных машин.

Объект исследования. Технологический процесс обработки почвы и посева семян на склоновых агроландшафтах.

Предмет исследования. Закономерности технологических процессов работы почвообрабатывающих и посевных машин на склоновых агроландшафтах.

Научная новизна.

1. Впервые раскрыты механико-технологические основы механической эрозии почвы на склонах при работе почвообрабатывающих и посевных машин и установлен характер ее изменения в зависимости от макрорельефа поля, конструктивных параметров рабочих органов и направления их движения по склону.

2. Установлены аналитические выражения для определения траектории движения и смещения почвы рабочими органами в зависимости от крутизны и направления движения орудия по склону.

3. Обоснована расчетная область и разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой на основе уравнений динамики сплошной деформируемой среды с учетом крутизны склона поля и конструктивно-технологических параметров рабочего органа.

4. Установлены режимы течений воздушно-зерновой смеси и уточнены зависимости коэффициентов сопротивлений семян воздушному потоку в пневматических системах почвообрабатывающе-посевных машин и комплексов.

5. Разработана математическая модель процесса работы вентилятора пневматических зерновых сеялок, позволяющая моделировать образование и перемещение воздушного потока за счет вращения его лопастей.

6. Обоснована область расчета и разработана математическая модель процесса работы пневматической распределительной системы на основе уравнений

динамики двухфазных сред «газ - твердые частицы» с учетом особенностей работы на склонах.

7. Предложены методики и обоснованы условия численной реализации математических моделей технологических процессов взаимодействия рабочих органов с почвой и работы пневматической системы почвообрабатывающих и посевных машин в компьютерных программах инженерного расчета.

8. Обоснованы технологические приемы полосной обработки почвы и посева технических культур на склонах, усовершенствованы технологии и разработан комплекс машин для обработки почвы и посева зерновых культур на склонах.

Новизна технических решений защищена одним авторским свидетельством и пятью патентами на полезную модель.

Практическая ценность.

По результатам исследований в содружестве с Россельхозакадемией, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ТатНИИСХ и заводами ОАО «Варнаагромаш», ООО ПК «Ярославич», ЗАО ИПП «ТехАртКом» разработан комплекс машин для основной и предпосевной обработок почвы, а также комбинированные и универсальные почвообрабатывающе-посевные машины для ресурсосберегающей системы земледелия, которые внедряются во многих регионах Российской Федерации.

Разработанные совместно с учеными БГАУ и БНИИСХ рекомендации для внедрения ресурсосберегающей технологии в Республике Башкортостан используются во всех зонах Республики Башкортостан при возделывании сельскохозяйственных культур.

Результаты научных исследований использованы при разработке системы ведения агропромышленного производства в Республике Башкортостан и системы машин и оборудования для реализации инновационных технологий растениеводства и животноводства.

Разработанная технология и изготовленный универсальный комбинированный агрегат для полосного посева кукурузы обеспечивает повышение уро-

жайности зеленой массы кукурузы на 127 ц/га и устранение механической эрозии и смыва почвы на склонах, а также снижает эксплуатационные затраты за счет снижения площади обработки.

Разработанный комплекс машин для энергоресурсосберегающей системы земледелия награжден дипломами и двумя золотыми медалями Всероссийской агропромышленной выставки в 2011, 2012 гг. и широко внедряется в сельскохозяйственных предприятиях Республики Татарстан, Челябинской, Ярославской и Ивановской областях, а также в Республике Казахстан. Использование рекомендованного комплекса машин приводит к повышению рентабельности с 12,9 до 37,9-40,4% и повышению урожайности на 3,2 ц/га.

Реализация научно-технических результатов.

Данные исследований по обоснованию конструктивных параметров плугов использованы при производстве плугов ПН-ЗС, ПН-4С, ПН-5С и ПН-8С в ОАО «Стерлитамакское РТП».

На основе результатов исследований по обоснованию конструктивных параметров рабочих органов и пневматических систем в ЗАО ИПП «ТехАртКом» освоено производство и выпущены культиваторы КУБМ-14,7 (5 типов рабочих органов), почвообрабатывающе-посевные агрегаты ППА-5,4, ППА-7,2 и плуги-дискаторы ПДУ-6*4 «Ермак».

Результаты исследований по обоснованию параметров рабочих органов использованы ОАО «Варнаагромаш» при выпуске борон БТИ-21, БЗН-15, БЗН-24, культиваторов КБМ-7,2, КБМ-10, КЛДН-4, КЛДН-6, КЛДП-7,2, плугов со сменными рабочими органами ПН-ЗУ, ПН-4У, ПН-5У, ПН-8У, ПП-9У, посевных машин СКП-2,1, СПБМ-6, СПБМ-8.

Технология полосной обработки почвы и комбинированный агрегат для ее осуществления внедрены в Тюйском совхозе Аскинского района Республики Башкортостан.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ и ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на международных и всероссийских научно-технических конференциях Челябинской ГАА (1982-2010 гг.), Башкирской ГАУ (1989— 2013 гг.), ТатНИИСХ (2005 г.), итоговой научно-практической конференции, посвященной 75-летию КГФЭИ (2006 г.), международной научно-практической конференции Курганской НИИСХ, посвященной 110-летию со дня рождения Т.С. Мальцева (2006 г.).

Результаты исследований по разработке технологий и машин для обработки почвы и посева на склонах рассматривались на совместных выездных заседаниях Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства РАСХН в г. Ярославль 24-25 сентября 2008 г. и в г. Уфе (ФГБОУ ВПО Башкирской ГАУ) 6-8 июня 2013 г., на совместной научно-практической конференции МСХ Челябинской области, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ЧНИИСХ, ТатНИИСХ, ОАО НПК «Уралвагонзавод», ООО «Варнаагромаш» в г. Челябинск 21 сентября 2011 г., на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 59 работах, в том числе 19 в рецензируемых журналах и изданиях, 2 монографии, 5 рекомендаций производству, получены 5 патентов на полезную модель и 1 авторское свидетельство на изобретение. Общий объем публикаций составляет 72 п.л., из них авторских - 28 п.л.

Первая глава «Состояние проблемы и задачи исследования» посвя�