автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной машины

На правах рукописи

□03455052

Антонов Евгений Владимирович

Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной машины

05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических]

Москва - 2008

003455052

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства (МГУП) и Унитарном государственном

предприятии «Инженерный центр «Луч»

Научный руководитель Кандидат технических наук, профессор

Ревин Ю.Г.

Научный консультант

Кандидат технических наук Ефремов А.Н.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Маммаев Зигиди Маммаевич Кандидат технических наук, доцент Апатенко Длексей Сергеевич

Ведущая организация ФГНУ ВНИИРиса

Защита состоится «23»&в»я5н 2008 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета К120.16.01. Московского государственного университета природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201/1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП. Автореферат разослан «21» ноября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат технических наук, профессор Сурикова Т.И.

Введение

Диссертация посвящена совершенствованию комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков и разработке многофункциональной планировочной машины с расширенными техническими и технологическими возможностями.

Актуальность исследований Мировой и отечественной практикой земледелия доказано, что планировка или выравнивание поверхности земли является главным мелиоративным мероприятием, предназначенным для устранения имеющихся на поле неровностей в виде различных повышений и понижений. Наиболее ярко эффективность планировки проявляется на рисовых чеках, от микрорельефа которых в первую очередь зависит урожайность риса и других культур рисового севооборота. При строительстве, реконструкции и эксплуатации рисовых оросительных систем по действующим требованиям колебания отметок микрорельефа чеков не должны превышать ± 5см. Накопленный опыт выращивания риса в Краснодарском крае подтверждает, что неровности поверхности чеков, находящиеся в пределах +10... 13см, приводят к снижению урожайности риса в 1,5-2,7 раза и увеличению расхода поливной воды в 1,7-3,4 раза.

Необходимо отметить, что высокоточной планировке рисовых чеков отводится особая роль. Так, например, по данным Величко Е.Б. и Шумакова Б.Б. урожайность риса при колебаниях отметок чеков, спланированных с повышенной точностью равной ±3см, в 1,5 раза выше, а затраты поливной воды в 1,6 раза ниже, чем при отклонениях отметок чеков в пределах ±5см. Таким образом, повышение точности планировки на ±2см дает прибавку урожайности риса на 19,9 ц/га (47%) и экономию поливной воды 1621 м3 на тонну риса сырца (36%).

В современных условиях эксплуатационная (предпосевная) планировка выполняется длиннобазовыми планировщиками, что не всегда эффективно, т.к. при этом не достигается требуемая точность планировки из-за отсутствия автоматической системы управления рабочим органом по высоте.

При капитальной планировке рисовых чеков применяются различные технологии, где в качестве ведущих машин используют короткобазовые планировщики с бездонным ковшом и клин-планировщики. Применение на этих машинах лазерных систем автоматического регулирования (ЛСАР) позволяет достигать высокой точности планировки (±3см). Однако при этом появляется необходимость в использовании других машин и проведении дополнительных земляных работ.

При всем многообразии существующих технологий и машин сегодня отсутствует единый подход к определению оптимальных параметров землеройно-планировочных машин, остается неясным, какими критериями следует руководствоваться при выборе типа машин и совершенствовании комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков.

Решение этой проблемы становится чрезвычайно своевременным, поскольку по оценке ВНИИриса около 70% существующих рисовых систем остро нуждаются в реконструкции. Учитывая, что в России к настоящему времени по данным НИИТЭИагро-пром площади посевов риса составляют 170 тыс. га, то проведение точной планировки дополнительно может дать примерно 217 тыс. тонн риса ежегодно.

Цель и задачи работы Цель работы - совершенствование технологического процесса планировки рисовых чеков и разработка универсальной планировочной машины.

Методика исследований Теоретические исследования базируются на широком использовании методов теории вероятности и математической статистики, теории случайных функций и методов статистической динамики.

Лабораторные исследования проводились на основе методов физического и физико-математического моделирования и применения цифровой фотосъемки.

При проведении полевых исследований различных технологий планировки рисовых чеков применялся метод производственной апробации с применением автоматизированных зсмлсройно-шшшровочных машин в рисосеящих хозяйствах Краснодарского края. Регистрация исследуемых параметров ЛСАР проводилась методами лабораторных и нолевых измерений с применением специальной электронной и лазерной аппаратуры.

Технологические параметры определялись инструментальными замерами и хрономегражными наблюдениями. Для обработки экспериментальных данных использовались методы корреляционного и спектрального анализа, реализованные в стандартных компьютерных программах.

Достоверность основных выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с результатами полевых и лабораторных испытаний.

Научная новизна работы

В результате теоретических исследований разработана трехмерная модель поверхности рисового чека, получены обобщенные статистические характеристики микрорельефов рисовых чеков, предложена их классификация по объемам земляных работ и распределению их по поверхности, получены данные по амплитудам неровностей в зависимости от их длины, дан анализ технологических возможностей применяемых зсмлсройно-планировочных машин.

Уточнены математические модели землеройно-плапировочных машин и сформулирована концепция универсальной землеройно-планировочиой машины - скрепера-планировщика. Па основе лабораторных исследований разработанных физических моделях и изготовленного опытного образца скрепера-планировщика обоснованы основные параметры машины.

Разработан комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. Усовершенствована многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика. В результате проведенных лабораторных и полевых исследовательских испытаний экспериментальных и опытных образцов скрепера-планировщика с ЛПСАУ установлены их основные характеристики.

Апробация работы

Результаты исследований технологий использованы УШ «Инженерный центр «Луч» при внедрении научно-технической продукции по договору с Департаментом мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Министерства сельского хозяйства Российской Федерации за № 20-01-ЗВ от 10.01.2001г.

Основные результаты исследований докладывались на заседаниях научно-тсхпичсских конференций, проводимых ежегодно в Московском государственном университете ириродообустройства в период 1997-2008 гг, а также в 2007 г. на международных конференциях в Московском государственном горном университете (МГГУ).

Оспопные теоретические положения диссертации и разработанные элементы конструкции скрепера-планировщика (гидросистема и лазерно-программная система автоматического управления) прошли апробацию в рисосеящих хозяйствах РГПЗ «Красноармейский» и ЗАО «Агрофирма «Полтавская» Краснодарского края.

Практическая ценность исследований

На основе выдвинутой концепции универсальной землеройно-планировочной

машины автором разработана конструкторская документация на скрепер-планировщик СП - 4,0 и СП - 4,OA, по которой заводом Ставропольского края ФБУ ИК-2 изготовлены опытные образцы. Первый образец СП-4,0 успешно прошел заводские и приемосдаточные испытания и используется в настоящее время при планировке рисовых чеков в хозяйстве Краснодарского края.

Конструкция разработанного скрепера-планировщика защищена патентом на полезную модель, подготовлена заявка на полезную модель усовершенствованной конструкции машины.

По результатам рекомендаций диссертационной работы изготовлены и успешно прошли полевые испытания опытные образцы лазерно-программной системы автоматического управления с гидроблоком в хозяйствах Краснодарского края.

На защиту выносятся:

1. Методика статистической оценки неровностей поверхности рисовых чеков в трехмерном ее представлении,

2. Обобщенные статические характеристики микрорельефов рисовых чеков,

3. Результаты выбора вида планировочных работ и типа землеройно-планировочных машин,

4. Разработанные конструкции универсальной планировочной машины - скрепера-планировщика,

5. Разработанные физические модели скрепера-планировщика и результаты их лабораторных исследований,

6. Комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности.

7. Усовершенствованная многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и результаты ее лабораторных и полевых исследовательских испытаний.

8. Технико-экономические характеристики скрепера-планировщика с ЛПСАУ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах и содержит 32 таблицы, 56 рисунков, список используемой литературы из наименований и приложений на (f страницах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполнения диссертационной работы, сформулирована цель и задачи для ее достижения, научная новизна исследований и практическая ценность рассматриваемой работы.

В первой главе проводится анализ современного состояния комплекса планировочных работа на рисовых чеках.

Известно, что от точности планировки рисовых чеков зависит урожайность риса и расход поливной воды. Основным критерием оценки точности планировки принято считать среднеквадратические отклонения высот поверхности рисовых чеков в точках их квадратов относительно средней горизонтальной плоскости. Наглядно приведенные данные представлены на рисунке 1. Анализируя построенные зависимости урожайности риса Yi можно видеть их общий характер, проявляющийся в снижении урожайности с ростом среднеквадратических отметок поверхности рисовых чеков oi. Осреднен-ные значения получены при точности планировки в пределах 2-3, 3,5-5, 6-13 см. Графическая зависимость этих значений Yep построена на рисунке 1, которая имеет также тенденцию снижения урожайности от среднеквадратических отметок как это изобра-

жепо на других линиях У1- У4.

Зависимости расхода воды 0 имеют обратный характер, т.е. с увеличением сред-пскпадратичсских отметок наблюдается рост расхода воды.

Таким образом, из представленных зависимостей следует, что для получения наибольшей урожайности риса Умах и наименьшего расхода воды (}мин нужна точная

J планировка в пределах ±3 см.

Ом/Г Многолетними на-

Л"' блюдениями ИЦ «Луч» уста-

новлено, что после проведения точной планировки с течением времени происходит искажение спланированной поверхности чеков. Это иллюстрируется ниже рисунком 2, где показана динамика роста среднеквадра-тических отклонений сг в зависимости от времени эксплуатации чеков.

Не могут в принципе обеспечить планировку под горизонтальную плоскость из-за отсутствия системы автоматического управления. После проходов длиннобазового планировщика образуется сглаженная поверхность земли с длинными неровностями, превышающими более чем в 2 раза длину базы машины. Планировка под горизонтальную плоскость с точностью ±3 см может выполняться землерой-но-планировочными машинами с лазерным управлением

На том же рисунке 1.2 построена зависимость потерь урожайности риса ДУ с годами эксплуатации чеков без проведения ежегодной точной планировки. Потери урожайности будут эквивалентны потенциальной прибавке урожайности риса.

Как видно из этой зависимости и рисунка 1, после первого года эксплуатации потери урожайности достигают 19%, а за 4 года без проведения точной планировки 50 %.

В последние годы точная планировка практически не проводится. Проведенные ИЦ «Луч» обследования показали, что состояние поверхности рисовых систем не соответствует современным требованиям и почти 41 % рисовых чеков нуждаются в точной планировке. При этом хозяйства не дополучают около 26 % урожая риса и потребляют примерно на 33 % больше поливной воды.

V 11 V 11 V,

а. см

Рисунок 1 - Зависимости урожайности риса У1 и расхода воды 01 от среднеквадратических отклонений си поверхности рисовых чеков по данным: У1- Величко Е.Б. и Шумакова Б.Б., У 2- Крымского СХИ, У 3- ИЦ «Луч», У 4- Попова В.А., У ср - Ос-редненные значения.

AY и/го 50

Поэтому одной из главных задач повышения урожайности риса и экономии поливной воды является проведение точной планировки на всей площади посевов риса.

Остается неясным как часто следует проводить точную планировку рисовых чеков, и какими критериями

fj нужно руководствоваться

при выборе типа землерой-но-планировочных машин с лазерным управлением.

Планировка рисовых чеков представляет собой сложный комплекс последовательных и неразрывно связанных между собой различных работ: предварительная вертикальная съемка поверхности земли, составление по дан-Рисунок 2 - Динамика роста среднеквадратическнх ным съемки проектов пла-отметок и потерь урожайности риса в зависимости от нировочных работ, плани-времени эксплуатации чеков. ровка поверхности земли по

составленному проекту, контроль точности спланированной поверхности.

В настоящее время вертикальная съемка поверхности земли осуществляется, как правило, с применением широко распространенных оптических нивелиров.

Существуют также другие методы геодезических измерений, основанные на использовании оптических и электронных теодолитов, тахеометров, GPS-оборудования (Global Positioning System-Глобальная Система Позиционирования.

Яа&на речр К

Рисунок 3 - Схема автонивелира АН-1

-7й-'

Рс&нш репер № /

Рисунок 4 - Схема съемки чека автонивелиром АН-1.

Более перспективным средством нивелирования является лазерный автонивелир АН-1, предназначенный для автоматической вертикальной съемки поверхности земли, проведения в полевых условиях экспресс оценки неровностей и оперативного определения проектной отметки плоскости чека.

Схема автонивелира АН-1 изображена на рисунке 3. Автонивелир работает совместно с лазерным передатчиком 2, который устанавливается на штативе 1 и формирует круговую опорную горизонтальную плоскость 3. Автонивелир состоит из ла-

зерного приемника 4, закрепляемого на верхнем конце штока электромачты 5, датчика пути 6, контроллера 7 с блоком памяти и соединительных кабелей 8 с коллектором 9. Лптонивелир монтируется на самоходном шасси 10 (Т-16М). В качестве передатчика используются вышеупомянутые модели от лазерных нивелиров.

Принцип работы автонивелира основан на автоматическом удержании центра лазерного приемника па лазерной опорной плоскости, формируемой лазерным перс-датчиком, и измерении вертикальных перемещений приемника в процессе движения транспортного средства по поверхности земли.

В процессе движения транспортного средства по участку поля все перемещения штока электромачты, равные высотным отметкам съемки, автоматически записываются через 20 м пути и хранятся в памяти контроллера, куда одновременно передаются и записываются сигналы от датчика пути. В процессе работы автонивелир перемешается но полю от его угла по вынесенным параллельным створам челночным способом и осуществляет автоматическую запись высотных отметок поверхности земли относительно лазерной опорной плоскости (рисунок 4).

Основные недостатки вертикальной съемки с применением автонивслира АН-1: - значительный объем подготовительных трудоемких работ (разбивка плановой основы съемки, ручная расстановка и сбор множества ветнек, вынос проектной отметки вручную с забивкой временного репера),

необходимость использования различного оборудования (лазерного нивелира,

»

а б

Рисунок 5 - Проект выборочной планировки рисового чека: а) - картограмма микрорельефа чека, б) - схема перевозки грунта самоходного шасси и бригады из 2 человек).

Проект планировки чека состоит из контуров срезки и насыпей и зон нулевых работ. В правой части проекта указаны общие данные, объемы перемещаемого грунта, проектная урожайность и прогноз расхода поливной воды, % отклонений отметок поверхности от проектной плоскости в различных интервалах. На схеме перевозки грунта указаны маршруты его позки с повышений в понижения, объемы и дальность возки грунта но контурам (рисунок 5). Синий цвет соответствует насыпям, красный цвет -срезкам. По окончании вычислений проект планировки чека записывается в файл и производится его распечатка. Составленный проект используется в дальнейшем для проведения планировочных работ.

Однако проектирование планировочных работ с программным обеспечением ПО-ЧКК имеет следующие недостатки:

- значительный разрыв по времени между съемкой при помощи автопииелира и составлением проекта на компьютере,

- проектирование планировочных работ рассчитано только на челночный маршрут съемки.

Эти недостатки можно избежать при составлении проекта планировки непосредственно на машине, при помощи которой проводят съемку.

При проведении капитальной и эксплуатационной планировки рисовых чеков применяют скреперы и планировщики. Наибольшее распространение получили нолу-прицепной скрепер ДЗ-87-1 к трактору Т 150К и скрепер ДЗ-77Л к трактору '1-170 или К-701. Скреперы эффективны при больших объемах земляных работ (более 150 м3/га), значительной толщине срезки (более 10 см) в грунтах 1-2 категории и при больших расстояниях возки грунта (более 50 м).

Длшшобазовые планировщики с бездонным ковшом выполняет срезку грунта с повышений, волочение призмы срезанного грунта и отсыпку его » понижения с образованием спланированной полосы. Они рассчитаны на работу в различных но составу грунтах 1 категории с влажностью не более 20 - 25 %. Среди прицепных длишюбазо-вых планировщиков наиболее известны модели П-2.8, II-4.0, Д-719, ДЗ-601, ДЗ-602, ДЗ-602А. Они используются в основном для выравнивания микроперовпостсй при проведении эксплуатационной или доводочной планировки, которая проводится после капитальной планировки.

Во второй главе проводился анализ состояния поверхности рисовых чекой и обоснования концепции унифицированной планировочной машины.

Практика планировки показывает, что технологии и технологические средства выравнивания еще далеки от совершенства. Одной из причин такого положения является отсутствие точной и полномасштабной информации о микронеровпостях поверхности чеков. Наиболее объемной и точной основой оценки этих неровностей можно считать систему, базирующуюся на основе представления поверхности в виде набора высотных отметок как случайных величин, объединенных в один массив дачных. Тогда, по аналогии с понятием «случайная функция», поверхность чека можно представить как «случайную поверхность». Осуществив статистическую обработку высотных отметок поверхности ноля как набора случайных чисел можно сформировать системные сведения о неровностях, их структуре и количественных характеристиках.

Характеристики микрорельефа рисовых чеков свидетельствуют о разнообразии структур и параметров неровностей. В настоящее время пе учитывают особенности неровностей, используя типизированные технологии и стандартные средства механизации работ.

Для эффективного осуществления планировки поверхностей чеков необходимо иметь информацию о самых важных параметрах неровностей, к которым относят наиболее часто встречающиеся их длины и амплитуды.

Для целесообразной и обоснованной оценки этих параметров могут бы п. использованы, как уже отмечалось, методы теории случайных функций.

Эта теория целесообразна, как основа для оценки характеристик случайных поверхностей, чем больше сами поверхности разнообразны.

На рисунке 6 в качестве примера приведено графическое изображение поверхности рисового чека. По данным высотной съемки, возможно сформировать первичные представления о структурах исходных поверхностей. Очевидно, что значения микронеровностей в значительной степени разнятся по величине и случайным образом распределены по поверхности чека.

Однако эти общего характера оценки структуры и параметров неровностей дают довольно мало информации, необходимой для решения конкретных задач эффективной организации планировочных работ и выработке рекомендаций по концепции планировочной машины.

К очень важным статистикам, позволяющим осуществить конкретные оценки параметров случайных поверхностей, следует отнести корреляционную характеристику, которую можно назвать, корреляционной поверхностью К(г, р).

Эмпирическая корреляционная поверхность может быть оценена по формуле 1

п\—г~1 п2-р-\

I

Рис. 6. Поверхность рисового чека, представленная в трехмерном изображении

К(г,р) =

1-й

'/+г,у+ р

(1)

п\-п2- й

где п I, п2 - число строк и столбцов матрицы г, р - смещение отсчетов при определении корреляционной поверхности по строкам и столбцам соответственно; Э -дисперсия высотных неровностей чека, представленной матрицей Ъ.

На рис. 7 приведен график типичной эмпирической корреляционной поверхности, построенной по данным высотной съемки. Анализ графиков корреляционных поверхностей, безусловно, представляет возможность более определенно судить о, так называемом, волновом составе микронеровностей. Особенно такая определенность появляется после осуществления аппроксимации эмпирической поверхности.

Более точные данные о параметрах микронеровностей можно получить при помощи дополнительной математической статистики - спектральной плотности поверхности.

Спектральная плотность микрорельефа поверхности чека как случайной поверхности может быть подсчитана по формуле 2

Рисунок 7 - График типичной эмпирической корреляционной поверхности рисового

чека

S(ax,coy) ■

■(1

4-Л

тг

I2X,

л=0 у-О

(1-

п 3-1

-) • cos(ax) • cos(töy),

и4~3

где пЗ мп4- число строк и столбцов соответственно матрицы корреляционной поверхности микрорельефа чека; KXJf - эмпирическая корреляционная поверхность чека; сох, юу -волновые частоты неровностей по осям X и У соответственно, л("'; /I - шаг отсчета при определении спектральной плотности. Шаг отсчета равен длине стороны квадратной сетки, используемой при съемке высотных координат неровностей чека (А = 20 м).

IIa рисунке 8 приведен график спектральной плотности чека, построенной в соответствии с формулой 2.

Но оси X (число отсчетов от 0 до 13) и но оси У (число отсчетов от 0 до 6) откладываются номера квадратов кратные шагу А. Пики графика дают возможность сделать вывод о большем или меньшем процентном составе неровностей по длине. При этом длину неровностей можно оценить по следующим формулам:

Рисунок 8. - График типичной эмпирической спектральной плотности чека

т;.=

2-яг-А

Т = у

2-3--А

(3)

где Тх, Ту - длииы неровностей по оси X (это, как правило, но длинной стороне чека) и по оси У ( как правило по короткой стороне чека) соответственно, м; Х„ Xj - значения координат спектральной плотности, соответствующие ее пикам по оси X или У соответственно. Доля дисперсии, приходящейся на какую либо конкретную но длине неровность Ш'ц, может быть подсчитана по формуле 4:

Приведенные выше зависимости предоставляют довольно серьезную возможность для детальной оценки структуры и количества характеристик микронеровностей рисовых чеков.

DT{,

II I

•■< У

(4)

,1-,-jjr я-лу

где АХ, АУ-диапазоны полосы пропускания для соответствующего пика спектральной плотности поверхности чека. Обыкновенно ДХ=АУг1; SXJ, матрица спектральной плотности.

В 2001... 2006 годах Инженерным центром «Луч» было проведено обследование состояния микронеровностсй рельефа рисовых чеков в Краснодарском крае. Всего было обследовано более 100 чеков, площадь каждого из которых в среднем равна 4...6га. Общая площадь обследованных чеков составила свыше 500 га. Общие результаты приведены в таблице 1.

Средне квадра-тические отклонения, см Процент от общего числа обработанной информации Относительная высота неровностей, см Средний удельный объем работ при выравнивании поверхности чека, м3/га Средняя площадь чека, га

минимальная мак-сималь ная

<3 8,7 9,1 -И 85,12 4

>3 - <5 65,0 24 -19 140,32 4,5

>5 26,2 22 -20 251,85 4,6

Полученные данные были разделены на три группы по величине среднеквад-ратичеекого отклонения. Первая группа - до 3 см, вторая - от 3 до 5 см и более 5см.

По результатам анализа было определено, что на 65% рисовых чеков средне-квадратическое отклонение находится в диапазоне 3... 5 см. Это означает, что на этих площадях удельный объем работ составляет от 100 до 200 м3/га. На таких чеках возможно осуществление выборочного выравнивания поверхности (с использованием скреперов).

Поверхность чеков, имеющих значение среднеквадратичных неровностей менее 3 см, лучше всего выравнивать, выполняя сплошную планировку.

Что касается рисовых чеков со значительными неровностями (КСО > 5см), то в этом случае наиболее эффективным будет применение выборочного выравнивания поверхности.

Из общего числа обследованных чеков даже самый выровненный имеет сред-неквадратическое отклонение высотных отметок 8 = 3,08 см, что соответствует средней амплитуде равной примерно 4,0 ... 4,5 см. Величина этой амплитуды превышает допуск на 40%. Подробный анализ микронеровностей для этого чека свидетельствует о следующем. Для площади чека, равной 5,44 га, 1,5 га можно считать негодными для эксплуатации, причем на площади 0,9 га требуется срезка, а на площади 0,6 га подсыпка почвы. При этом следует отметить, что приведенные цифры получены из условия выравнивания микрорельефа под «нулевую» плоскость.

Для одного из худших полей по выровненности среднеквадратическое отклонение высотцых отметок составляет 5,75 см, что соответствует средней амплитуде неровностей А = 8 см. Из общей площади чека, равной 6,12 га, почти 6,0 га нельзя признать годными к эксплуатации, из них 3,4 га требует срезки, а площадь, равная 2,6 га — подсыпки.

Таким образом, для ориентировочной, но довольно надежной и устойчивости оценки годности поля можно использовать сведения о площадях, требующих срезки и подсыпки.

Введем понятие коэффициента дефектности поля К& значение которое можно определить в виде следующего соотношения:

кд--£—' V5)

где 5(7' - суммарная площадь чека, неровности которой по вертикали возвышаются над «нулевой» плоскостью больше чем на 3 см, м . Это - потенциальная площадь

срезки; Би - суммарная площадь части чека, неровностей по вертикали ниже «нулевой» плоскости больше чем 3 см, м2. Это - потенциальная площадь подсыпки.

I Среднеквадратиче-ское отклонение микронеровностей Б, см Коэффициент дефектности рисового чека кд Средняя толщина срезаемого грунта, см Средняя толщина ! насыпаемого грунта, см Объем работ по срезке, мЗ Объем работ по насыпи, мЗ Коэффициент соотношения удаленности дефектных участков чека по срезке и насыпи, КОТ.УД/К-ЮТ.УД

832 5.74 0.61 5 8 1015 1143 0.39/2.57

851 5.28 0.59 7 5 1071 1127 1.08/0.93

881 3.63 0.37 5 6 400 560 0.72/1.39

882 3.25 0.37 5 5 456 418 0.84/1.19

931 3.08 0.34 4 5 422 423 0.78/1.28

941 3.21 0.38 4 5 401 392 2.82/0.36

Значения этого коэффициента для обследованных нолей изменяются в пределах от 0,3 до 0,98.

Таким образом, сведения, которые получены по итогам обследования рисовых чеков, во многом определяют необходимые действия по восстановлению их ровности.

Однако эти сведения не дают, все-таки, представления о том, каким образом распределяются участки поверхности чеков с недостаточной ровностью но всей площади. Такая информация как раз и может дать основу для выработки концепции планирующей машины, в наибольшей степени отвечающей потребностям производства.

Такого рода информацией может послужить отношение удаленпостей поверхности чеков, требующих срезки и подсыпки, от какой-либо одной точки. Этот показатель можно определить при помощи формулы:

V —

от,уд ~ г > (6)

2

где Ког.уд - коэффициент относительного удаления; 1.х - средневзвешенная удаленность транспортировки грунта, который необходимо срезать, от начала координат; Ь2 - средневзвешенная удаленность транспортировки грунта, который необходимо подсыпать в нужные места.

Анализ данных, приведенных в таблице 2., свидетельствует о том, что использование коэффициента Ког.уд позволяет оценить степень равномерности распределения участков, требующих выравнивания, по площади чека.

Таблица 3 Обобщение статистических данных но неровностям ____поверхностей чекой по длинной их стороне._

Дисперсия неровностей Б, см2 Средпекпадратичсскос отклонение см Доля дисперсии, приходящаяся на неровности длиной, %

Более 120 м около 40 м около 20 м около 10 м

9,5... 33,0 3,1... 5,8 18,5... 30,4 13,4... 30,6 23,6... 41,2 14,3... 32,8

Значения коэффициента Ког.уд можно интерпретировать следующим образом: при величине Ког.уд = 1 дефектные участки распределены по площади чека равномерно, что объективно отвечает целесообразности сплошного выравнивания поверхности,

то есть требует использования мелиоративного планировщика с рабочим органом в виде бездонного ковша.

При значительной неравномерности распределения дефектных участков на площади чека целесообразней использовать скрепер, позволяющий перевозить грунта в закрытом ковше на значительные расстояния (более 50... 100 м).

Использование аппарата случайных функций, применительно к анализу случайной поверхности, позволяет представить анализируемую поверхность в виде трехмерного графического изображения. Такое изображение позволяет представить в наглядном виде структуру неровной поля в целом. Однако количественный анализ закономерностей изменения высотных отметок микронеровностей по графику такого рода довольно затруднителен.

Применение для анализа неровностей поверхности спектральных плотностей позволяет более точно и конкретно оценить распределение неровностей по их длинам. В таблице 2 приведены обобщенные сведения о неровностях по данным спектральных плотностей 20-ти чеков.

Как показал анализ большинства чеков, они имеют в плане форму прямоугольника с соотношением сторон примерно 2:1. В таблице 3 приведены данные о распределении в направлении длинной стороны чека. Средние величины процентного соотношения неровностей с разными длинами получаются следующими: доля дисперсии высотных неровностей, приходящаяся на длины 120 м и более, равна 24 %, для неровностей с длинами около 40 м - 22 %, для неровностей с длинами около 20 м - 31%, для неровностей с длинами около 10 м-23 %.

По всей видимости, при сельскохозяйственных работах машины и оборудование движется в большинстве случаев вдоль длинной стороны чека, что приводит к закономерному изменению микрорельефа именно этой стороны

Принято подразделять планировку на капитальную, проводимую по опыту работы хозяйств с интервалом 5-8 лет, и эксплуатационную (текущую), выполняемую ежегодно перед посевом риса.

На рисунке 9 представлены зависимости удельных объемов земляных работ W и высот срезок Н от среднеквадратических отклонений ел, которые получены на основании анализа и обобщения 93 картограмм рисовых чеков в различных хозяйствах Краснодарского края.

Зависимость удельных объемов земляных работ от среднеквадратических отклонений, как видно на рисунке 9, носит прямолинейный характер и ее можно представить в следующем виде:

М^-^ + К-^-сО, (7),

где удельные объемы земляных работ, м'/га,

- начальная величина удельных объемов земляных работ, равная 67,4 м3/га, а, - среднеквадратические отклонения, см,

а0 - начальное значение среднеквадратических отклонений, равное 2,4 см, - угловой коэффициент прямой, равный 50 м'/га • см.

Анализ обработанных данных показывает, что при изменении среднеквадратических отклонений от от 2,35 до 2,99 (а < 3 см) объемы земляных работ колеблются в пределах 67,4-99,7 м'/га. При этом величины максимальных срезок находятся в пределах 6-9 см (среднемаксимальное значение 7,4 см). К Округленное максимальное значение 100 м3/га будет определять условия применения сплошной планировки. В этом случае объем призмы волочения грунта в бездонном ковше является достаточным для непрерывной его срезки и подсыпки в процессе движения машины.

Сплошная планировка осуществляется параллельными полосами, которые примыкают друг к другу и покрывают всю площадь чека. Выборочная планировка проводится в соответствии с на-Н меченным маршрутом движе-

п9 i172 ния машины, обозначенным

линиями со стрелками на проекте планировки (картограмме) чека, когда грунт из мест срезок перевозится в места насыпей, а зоны нулевых работ не планируется

Для ориентировочного определения сроков проведения периодической и капитальной планировки рассмотрим рисунок 9, где сверху построена зависимость среднемаксимальных высот срезок Н от среднеквадрати-ческих отклонений. Из практики проведения планировки скреперами выявлено, что эффективность набора ковша грунтом зависит от толщины срезки. При этом величина срезки должна быть больше 10 см, т. к. при мелких срезках происходит длительная и неполная загрузка ковша грунтом. Поэтому наиболее целесообразно использовать скрепер при толщине срезки более 10 см. Кроме того, скрепер может работать на грунтах 1-2 категории при его влажности до 35% за счет принудительной выгрузки грунта. Планировщики с бездонным ковшом рассчитаны на применение в грунтах 1 категории с влажностью до 15 - 20% при максимальной толщине срезки не более 10 см.

Принимая во внимание, что максимальные высоты срезок для планировщиков не должны превышать 10 см, проведем на рисунке 5 горизонтальную линию от высоты 10 см до пересечения с ломаной линией Н. Затем из точки их пересечения опустим перпендикуляр до оси абсцисс и найдем искомую величину среднеквадратического отклонения, равную 4,1 см, которая будет устанавливать предел условий применения планировщиков, Проведя горизонтальную линию из точки пересечения перпендикуляра с прямой W, найдем по оси ординат величину объемов земляных работ, равную 151 (округленно 150) м3/га. Учитывая, что полученное среднеквадратическое отклонение (близкое к 4,2 см) наблюдается на 2 год после проведения точной планировки (рисунок 2), то можно ориентировочно рекомендовать срок проведения периодической планировки через 2 года. В то же время капитальную планировку следует назначать после 3 года эксплуатации рисового чека, когда среднеквадратические отклонения будут больше 5,1 см, а объемы земляных работ будут превышать 204 (200) м3/га. Из общей площади рисовых чеков, где проводилась вертикальная съемка автонивелиром, около 60 % соответствуют объемам земляных работ до 150 м'/га и примерно 7 % из них относятся к объемам земляных работ, не превышающими 100 м'/га.

5 6 7 6 9 2 звА годнее О, СМ

Рисунок 9 - Зависимость удельных объемов земляных работ (\У) и высот срезок (Н) от среднеквадра-тических отклонений.

Для проверки полученной взаимосвязи между величиной срезки, равной 10 см, и объемом земляных работ, равным 150 м'/га, из имеющих данных съемки была сделана выборка всех значений высот срезки грунта от 9 до 11 см и соответствующих им объемов земляных работ. Результаты вычисленных значений показывают, что при средней срезке 10,1 (10) см средний объем земляных работ составляет 163,9 (округленно 160) мэ/га. Это подтверждает сделанный выше вывод о том, что величина срезки 10 см соответствует объемам земляных работ 150-160 м3/га и поэтому срок проведения периодической планировки можно приближенно принять равным 2 года.

Из сказанного следует, что при капитальной планировке с объемами земляных работ, превышающими 150 м3/га, целесообразно применять в качестве землеройно-планировочной машины скреперы ДЗ-77 или ДЗ-87 с лазерно-приемной аппаратурой (типа ОКО-ЗО), которые эффективно работают при толщине срезки более 10 см. Ежегодную планировку с объемами земляных работ не выше 100 м3/га нужно проводить короткобазовыми планировщиками ПАУ-2 с лазерным управлением при толщине срезки до 10 см. При объемах земляных работ до 150 м'/га, когда толщина срезки не< превышает 10 см, использовать планировщик ПАУ-2 невыгодно т.к. потребуется дополнительно скрепер. Поэтому для этой цели необходимо разработать новую машину (скрепер-планировщик), которая могла бы работать как планировщик с бездонным ковшом и в то же время выполнять функции скрепера при переполнении ковша ipyirroM. Кроме того, скрепер-планировщик следует оснастить универсальной лазерно-программной системой автоматического управления (ЛП САУ) на основе усовершенствования автонивелира АН-1, которая могла бы обеспечить не только съемку поверхности земли, но и оперативное составление проекта планировочных работ после съемки и затем точную планировку и контроль точности работ. '

До проведения капитальной планировки рекомендуется проводить типовую съемку с применением автонивелира АН-1 и последующее составление по данным съемки на компьютере с программным обеспечением ПО ЧЕК проекта планировки, где указаны маршруты передвижения машины из зон срезок в зоны насыпей. По составленным картограммам скрепером с лазерным управлением, первоначально ведется выборочная (основная) планировка, а по ее завершению сплошная (доводочная) планировка с помощью планировщика, оснащенного лазерной системой управления, при объемах земляных работ после работы скрепера, не превышающих 100 м3/га.

Ежегодную сплошную планировку с объемами земляных работ до 100 м3/га целесообразно проводить новым скрепером-планировщиком (или планировщиком ПАУ-2), оснащенным лазерно-программной системой управления (ЛП САУ). При объемах земляных работ до 150 м3/га рекомендуется использовать новый скрепер-планировщик с ЛП САУ. При этом сначала выполняется выборочная (основная), а затем сплошная (доводочная) планировка.

В третьей главе производилось формирование концепции конструирования универсальной планировочной машины.

Оценим процесс формирования объема призмы волочения при работе плани-

ровщика во время срезки неровностей различной длины.

На рисунке 10 показана схема формирования призмы волочения при срезке. Объем грунта V (заштрихованная поверхность), который должен поместиться перед отвалом бездонного ковша планировщика, находится по формуле 8

\

о

о

где В - ширина ковша, м; Т - длина неровности, м; а - амплитуда неровности, м;АТ— значение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) для конкретной длины неровности Тх - текущее значение пути передвижения машины, м; /¿я \

На рисунке 11 представлены графики АЧХ для неавтоматизированного (1) и автоматизированного (2) планировщиков.

ч д.» II м

Рис. 10. Схема к расчету срезаемого грунта. 1 - исходная поверхность срезки; 2 - поверхность после срезки

Рис.11. Графики АЧХ . автоматизированного и неавтома тизированного планировщика

Анализ графиков, представленных на рисунке 10 показывает, что автоматизированный планировщик эффективно выравнивает неровности с волновой частотой от 0,05 до 0,5 м'1. При больших значениях ю процесс планировки для автоматизированного и неавтоматизированного планировщиков примерно одинаков.

Волновые частоты ю=0,05...0,5 по известным выражениям Г = 2я/<у соответствуют длинам неровностей Г = 120... 12м

Графики АЧХ рисунка 11 построены в соответствии со следующими формулами:

= ---(9)

Я2(5)

1-(1-а)е"в 1 + 5 Я, (5)

(10)

1 + ПА{5)

где I - длина базы планирования, м; 1 - расстояние от задних колес до режущей кромки рабочего органа, м; а - соотношение между 1 и I; ОС — I/Ь; II¡(Б) - передаточная

функция неавтоматизированного планировщика; - передаточная функция автоматизированного планировщика; ПА(8) - передаточная функция системы автоматического управления ковшом планировщика по высоте;

Л1(®) = |Я1(,й)|

Л2(ю) = |/72(ш)|

Имея все необходимые исходные данные можно построить зависимость V (см. формулу 8) от длины неровности

Анализ графиков 1 и 2 на рисунке 11 дает возможность сделать вывод о значительном возрастании объема срезаемого грунта при работе автоматизированного

планировщика при планировке длинных неровностей. При изменении длины неровности в пределах от 10 м до 100 м объем срезаемого грунта увеличивается от 1 м3 до 11 м3.

В то же время для тех же длин неровностей при работе неавтоматизированного планировщика объем срезаемого грунта возрастает до 2 м3 , начиная с 1 м3, а потом уменьшается до 1,4 м3. При выравнивании неровностей длиной 30..,40м и более автоматизированным планировщиком, объем призмы грунта которого не должен превышать 3...4 м3, будет иметь место переполнение ковша, в то время как при работе неавтоматизированным планировщиком переполнение ковша будет происходить редко, что подтверждает практика.

Амплитуда колебаний объема призмы волочения грунта для неавтоматизированного планировщика при выравнивании неровностей, 50% которых имеет длину 60м и более, составляет 0,7 м . Для автоматизированного планировщика эта цифра примерно равна 4 м3.

Таким образом неавтоматизированный планировщик практически не выравнивает длинные неровности. Автоматизированный планировщик обеспечивает выравнивание длинных неровностей. Однако при этом периодически происходит переполнение грунтом ковша, что требует применения дополнительно другой машины-скрепера. Отсюда возникает необходимость для создания планировочной машины со свойствами скрепера и классического планировщика

К разработке конструкции скрепера-планировщика предъявляются следующие требования:

- разрабатываемая машина должна обеспечить ее работу в режиме скрепера и планировщика с бездонным ковшом.

базовой конструкцией скрепера-планировщика должен быть серийный корот-кобазовый планировщик ПАУ - 2 с основными характеристиками, представленными в таблице 1.4.3 (глава 1).

- вместимость ковша - не менее 4 мЗ.

- клиренс - не менее 50 см.

- масса - не более 5 т.

- толщина срезки грунта - не менее 15 см.

Проектируемый ковш скрепера-планировщика должен сохранять все перечисленные преимущества ковшей планировщика и скрепера и одновременно устранять все их недостатки. Для достижения этой цели возникла новая идея конструирования ковша с перемещаемой заслонкой. За основу принят традиционный бездонный ковш планировщика в виде отвала и боковых стенок.

Режим планировки осуществляется при поднятой заслонке путем срезки повы-

Рис. 11. Зависимость объема срезаемого грунта от длины неровности 1 - автоматизированный; 2 - не автоматизированный

шений, периодического заполнения ковша грунтом, непрерывного перемещения призмы волочения грунта и отсыпки его в понижения. Скреперный режим обеспечивается при опущенной заслонке, которая образует замкнутую емкость (из ковша и заслонки) и запирает набранную призму волочения.

Таблица 3 - Технические характеристики скрепера-планировщика

№ п/п Показатели Марка машины

СП-4,0 1 СП-4,0М

1. Тяговый класс трактора, тс 6-9

2. Тип навески Полунавесной

3. Ширина захвата, м 4,2

4. Вместимость ковша, м3 4 1 5

5. Скорость передвижения, км/ч: - рабочая, - транспортная. 3-7 до 35

6. Дорожный просвет, см 50 50

7. База, м: - в рабочем положении - в транспортном положении 6,4 6,2 6,4 6,2

8. Масса, кг 4350 4850

9. Максимальная глубина срезки, см 15 15

10 Габариты, см: - в транспортном положении, - в рабочем положении 684x440x326 698x440x276 684x440x326 698x440x276

При подъеме заслонки грунт самопроизвольно отсыпается из ковша на ходу машины. Конструкция скрепера-планировщика защищена патентом на полезную модель. Новая конструкция ковша с изменяемой геометрией позволяет быстро переходить из режима работы планировщика в режим работы скрепера.

Общие технические характеристики конструкций скрепера-планировщика СП-4,0 и СП-4,ОМ представлены даны в таблице 3.

Обе машины были изготовлены, успешно прошли заводские испытания и работают на полях краснодарского края.

В четвертой главе описывается проведение лабораторных и полевых исследований скрепера-планировщика В условиях решения поисковых задач (особенно при моделировании взаимодействия рабочих органов с грунтом) наиболее целесообразным является физическое и физико-математическое моделирование. Методы физического моделирования дают возможность получения широкой информации по качественным и количественным характеристикам процессов.

Общие теоретические основы подобия и моделирования процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом разработаны В.И. Баловневым. Линейные размеры модели при физическом моделировании были определены с учетом масштабного коэффициента, вычисленного по формуле Баловнева В.И.

В качестве основных параметров при экспериментальных исследованиях были приняты длина и амплитуда неровностей, плотность грунта, его влажность, угол резания ножа планировщика в продольной вертикальной плоскости.

С целью исключения систематических ошибок вызываемых неконтролируемыми переменными, опыты были рандомизированы.

При проведении эксперимента тщательно соблюдалось постоянство всех факторов, кроме изменяемых. Каждый опыт повторялся несколько раз (не менее 5) для получении более достоверных результатов.

2

Рис. 12 Схема грунтового лотка. 1 • • лоток, 2 - привод, 3 - тележка, 4 - цифровой датчик, 5 - модель планировщика, 6 - грунт, 7 - усилительный терминал

Дли исследования физических моделей мелиоративных машин и специализированного рабочего оборудования с целью получения необходимых данных для теоретических выкладок и проверки выдвинутых гипотез в лаборатории мелиоративных машин кафедры МиСМ МГУ И был спроектирован и используется стенд - грунтовый лоток со специальной тележкой. К тележке 3 прикрепляется испытуемая модель рабочего органа 5. Стойка посредством болтовых зажимов может фиксироваться в направляющей на любом уровне. Таким образом, осуществляется изменение глубины разработки грунта или срезки неровности при одном и том же уровне грунта в канале.

Передвижение тележки с лабораторной установкой осуществляется с помощью лебедки, приводимой в движение электроприводом 2 с частотным управлением.

Целью экспериментов является определение максимального тягового усилия, изучение колебаний объема призмы волочения в бездонном ковше и проверка возможности проведения сплошного выравнивания без переполнения ковша.

Для проведения экспериментов разработана модель бездонного ковша » масштабе 1:2,5 по высоте и длине. Так как по ширине неровности будут распределяться равномерно, то ширину модели можно принять равную 10% от оригинала.

Па боковую стенку 1 устанавливается видеокамера, объектив которой направлен па нрозрачиую поверхность 3. Нанесенная на стекло градуировка с дискретностью шага 20мм позволит анализировать видеозапись и определить объем призмы волочения

560

Рисунок 13. модель бездонного ковша 1 боковая стенка; 2 -- отвальная поверхность; 3 - ■ смотровое окно боковой стенки; А - сетка 20x20мм

в реальном масштабе времени и сопоставить полученные данные с результатами тензометрии.

В первом опыте была воссоздана неровность длиной 20 метров и высотой 6 см. На рисунке 5.4.5.а в виде графика представлено изменение объема призмы волочения при сплошном резании грунта без отсыпки. Теоретическая прямая (ряд 2) объема грунта в ковше постоянно возрастает, так как площадь срезаемой стружки постоянна, а изменение плотности грунта не учитывается.

На кривой, отображающей действительное изменение объема призмы волочения (ряд 3) до 7й секунды проведения эксперимента практически совпадают. Объем призмы при этом равен половине максимально возможного. Далее становится заметно снижение темпа заполнения ковша при достижении объема грунта приблизительно равным половине объема бездонного ковша.

21.000 - -------------- • 5

¿0000 ....

15000

Й ^

* 1

123456789 10 1112

Рис 146 Суммарное усилие на резанье и транспортировку грунта

123456789 101112

Рис 14а Динамика изменения объема

Призмы волочения 1 - теоретический; 2 - практический

К концу воссозданной неровности теоретический и практический объемы сходятся. При анализе видеозаписи проведенного эксперимента отчетливо заметно, что до 7-8 секунды большая часть площади призмы срезанного грунта распространяется по стенке отвала. И лишь незначительная ее часть контактирует с поверхностью чека. При дальнейшем движении (8-11я секунда) грунт в призме волочения начинает уплотняться под действием вновь срезаемого грунта. Это негативно сказывается на перемешивании грунта в ковше и призма начинает больше контактировать с поверхностью чека. В свою очередь возрастание пятна контакта призмы с поверхностью чека вызывает увеличение темпа возрастания усилия.

При пересчете тяговых усилий полученных на модели к натурным мы получили следующее: по прошествии 20ти метров машина остается работоспособной, но находится на пределе своих возможностей. Следовательно, максимальная характеристика поверхностей при которых бездонный ковш не требует разгрузки это неровность длиной 20-25м и амплитудой 6см. Для определения энергоемкости процесса транспортировки грунта в бездонном ковше уровень грунта в лотке выравнивается, так чтобы при движении модели не производилась срезка грунта, что отрицательно скажется на точности полученных данных. Модель (рисунок 15) устанавливается на стартовую отметку. Бездонный ковш модели наполняется с таким учетом, чтобы объем грунта соответствовал максимальному объему призмы машины, с учетом масштабного коэффициента.

Таким образом, при движении получим усилие, погребное для перемещение машины с максимальным объемом грунта в ковше. Следующим этапом эксперимента

является проведение срашштельнога анализа энергоемкости процесса транспортировки грунта екрснсрш.ш методом (и зикрытом бункере) и и бездонном кошме.

I /

}

О

■s"-'

I. t.

'î-r /

Рисунок 15 Автоматн-даровашая модель скренсра-нлапировндоки 1:10 с имитатором гидроблока.

J.

Г(») 6

4

2

i пи.г\ 4я si m п

t (сек)

Рисунок 16. Сравнение тяговых: усилий 1 • - планировщик; 2 - скренер-плаиироищик

Дли проведения эксперимента модель переводится транспортное положение. Далее заслонка ковша переводится и закрытое положение, образуя закрытый бункер. И образовавшуюся емкость помещается ipyirr но объему равный грунту, который помещали в бездошнлй ковш в первой части эксперимента. Полученные данные были приведены к натурным и отображены на рисунке 5.4.8. Среднее тяговое усилие и режиме планировщика составляет 4,5т и колеблется н интервале от 4 до 5,2т. Такой разброс значений обусловлен тем, что при движении ковша но поверхности чека происходит периодическая отсышса и срезка грунт В екреиерном режиме среднее ттовое усилие составило 0,63т, а колебание нагрузки от' 0,4 до 0,8т.

приведенные к ншурпым данные но проведенным экспериментам показали что скрепер планировщик может шриттироваться к любой базовой матине шестого тяголоп) класса. Наиболее часто встречающиеся неровное™ имеют характеристики 6-9 Minpim и «мшштуду 5-12ем. Необходимо провести исследования изменения призмы волочения при работе машины па подобных неровностях. Для проведения эксперимента m поверхности грунта буду т воссозданы соответствующие неровное™ (рисунок 17.)

Для точной регистрации изменения объема призмы волочения на рабочий орган будет установлена видеокамера, которая позволит точно фиксировать срезку и отсыпку х рута. Рассмотрим полученные данные.

На граф)«™ отображающие тяговое сопротивление движения модели наложили кривые отображающие тсоршметсое изменение призмы волочения.

На первом графике объем призмы волочения в максимальной точке равен 33120см1, что примерно равно нолошшс максимально возможной призмы волочения дон модели в масштабе 1:2,5. Но втором графике объем призмы составляет 66% от максимально возмозкной, а в третьей примерно равна своему допустимому максимуму 98,7%.

Рассмотрим кривую тягового сопротивления. Вершины кривых на всех трех графиках равноудалены друг от друга со смещением не более 0,4... 0,7с. Следовательно, полупериод кривой от минимального значения к максимальному соответствует моменту срезки грунта. Следующий полупериод от максимума к минимуму - разгрузке.

При анализе графиков становится заметно, что в первом графике максимальный объем призмы волочения на 0,9... 1,1 опережает максимальное тяговое усилие по течению эксперимента. Во втором случае опережение составляет 1,0... 1,7с. Это происходит из-за того, что передний край призмы волочения на 35... 40 см опережает режущую кромку рабочего органа, В тот момент, когда режущая кромка достигает конца неровности и теоретический объем должен достигнуть своего возможного максимума, тяговое усилие уже начинает снижаться. Это происходит вследствие того, что опережающая движение РО призма уже начинает заполнять неровность, и объем грунта в ковше сокращается, снижая тяговое усилие.

На третьем графике результат совмещения кривых значительно отличается. На первой неровности опережение составляет 0,7... 0,9с, на второй 0,4... 0,6с. При

1 П 41 81 11 »1 1 21 41 61 81 101 1 21 41 61 81 101

«сек.) ((сек.) ((сек.)

а б в

Рисунок 17. Сравнительные результаты теоретических исследований и экспериментальных данных при выравнивании неровностей с различной амплитудой и зависимость изменения осредненного тягового усилия от пройденного пути 1 - теоретический объем призмы волочения; 2 - тяговое усилие;

3 - осредненное тяговое усилие.

Параметры неровностей: а - Ь=9м Ь=5см; б - Ь=9м Ь=8см в - Ь=9м Ь=12см

движении модели по третьей неровности максимальный объем призмы волочения совпадает по времени с максимальным тяговым сопротивлением.

Такое смещение происходит по причине того, что при данном характере неровностей после срезки первого же возвышения ковш наполняется практически полностью, грунт значительно уплотняется (как это было показано в первом опыте). Далее, в момент разгрузки низменность начинает заполняться из передней верхней части призмы, таким образом, что общая площадь пятна контакта призмы с поверхностью грунта остается практически неизменной. Объем же призмы волочения пополняется грунтом, который срезается отстающей режущей кромкой.

Из первого графика в рисунке 17. можно сделать вывод, что на следующий год после проведения капитальной планировки, когда максимальная величина неровно-

стсй не нренишаст 5см. возможно использование базовых машин третьего тягового класса.

Дли проверки работоспособности системы автоматического управления был проведен комплекс лабораторных и полевых испытаний.

При проведении лабораторных и полевых исследовательских испытаний использовались 4 комплекта оборудования:

Комплект оборудования № 1 в составе: лазерный передатчик L - 600 (LP -30) с круговым вращением луча, опытный образец лазерно-программной системы автоматического управления (далее ЛИ САУ), электрозолотник и источник питания

Комплект оборудования № 2 в составе: лазерный передатчик, автомобиль, опытный образец ЛИ САУ и датчик нуги

Комплект оборудования № 3 в составе: лазерный передатчик, экспериментальная модель скрснсра-нланирошцика СП-1Э, опытный образец ЛП САУ, автомобиль.

Комплект оборудования № 4 в составе: лазерный передатчик, трактор К-701, серийный образец планировщика Г1АУ-2, опытный образец ЛП САУ с датчиком пути.

В результате проведенных лабораторных испытаний с использованием комплекта оборудования № 1 и измерительных приборов и инструмента проверены и опре-

Ч'аблица 4 ■ - Результаты нолевых определения погрешности измерений высотных

отметок ЛП САУ

№ замера Вертикальные отметки, см

Пикеты, м

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

1 228 230 228 202 158 126 100 84 100 112 112 112 112

г 224 224 228 208 156 124 104 90 102 114 114 112 110

3 228 230 228 202 158 126 100 84 100 112 112 112 112

4 224 224 228 208 156 124 104 90 102 114 114 112 110

_>: Средняя величина, см 904 908 912 820 628 500 408 348 404 452 452 448 444

226 227 228 205 157 125 102 87 101 ИЗ 113 112 111

Погрешность: см, %. ±2 № ±3 1,3 0 0 ¿3 1,3 ± 1 0,6 ±1 0,6 ±2 2 ±3 3,4 ±1 1 ±1 0,9 ±1 0,9 0 0 ±1 0,9

Нивелировка,см 229 231 229 203 159 127 101 85 101 113 113 113 ИЗ

Погрет-нооь: см, %. +3 1,3 +4 1,7 •и 0,4 -2 1 +2 1,3 +2 1,6 -1 1 -2 2,4 0 0 0 0 0 0 +1 0,9 +2 1,8

делены следующие технические характеристики лазерно-программной системы автоматического управления (ЛИ САУ): угол обзора лазерного ириемника, диапазон перемещении штока электромачты, напряжение питания и напряжение выходного сигнала на элсктрозолотник, потребляемая мощность, масса и габариты.

Полевыми исследовательскими испытаниями ЛП САУ с комплектом № 2 определялись зона нечувствительности лазерного приемника, радиус действия, интервал и погрешность измерения пройденного пути, рабочие скорости в режиме съемки. В качестве лазерных передатчиков использовались модели I, - 600 и И5 - ЗОС.

Рабочие скорости движения в режимах съемки и планировки, а также точность съемки и планировки определялись при установке ЛИ СЛУ на шшнирошцик ПАУ — 2 (комплект № 4).

Интервал измерения пройденного пути и погрешности измерения высотных отметок и вычисления проектной отметки ЛП СЛУ оценивались но результатам замеров, проведенных с применением комплекта № 3.

Число срабатываний электрогидросистемы и температура масла и гидросистеме определялись при полевых испытаниях гидроблока 175 -• У, установленного на планировщике ПАУ -2 с трактором К -701 и на скрснсрс ДЗ 87 с трактором Т • • 150.

Как видно из представленных данных в таблице 4 погрешность измерения высотных отметок при 4 проходах ЛП СЛУ колеблется от 0 до + 3 см (0 - 3,4 %) и и среднем составляет ±1,5 см (1,1 %), а в сравнении с нивелировкой эта погрешность изменяется в пределах 0-4 см (0 - 2,4 %), а в среднем ±1,5 см (1 %), т.е. наблюдается близкая сходимость результатов замеров.

В пятой главе описывается процесс разработки комплексного технологического процесса съемки, проектирования, планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности.

Вертикальная съемка автонивелиром АН-1, проводимая перед капитальной планировкой, не лишена ряда отдельных недостатков. С целью сокращения времени и трудозатрат на подготовительные работы по вертикальной съемке необходимо совместить операции съемки и проектирования на одной землеройпо-плапировочной машине и разработать новый способ съемки, который реализуется при установке на машину ла-

'Габлица 6 Сводная таблица результатов анализа поверхности чеков

№ п/п Наименование маршрута Длина марш1 % длины от маршрута №1 Проектные Средний разброс значений

руга, м отменен, см см %

1 Типовой 2980 100 113,0-185,4 - -

2 Диагональный 600 26 154,73-184,4 0,62 0,4

3 Перекрестный 880 39 113,3-185,9 0,4 0,3

зерно-программной системы автоматического управления (ЛИ СЛУ). Она обеспечивает поочередно режимы съемки и проектирования.

Для определения оптимального маршрута съемки были исследованы различные варианты, которые сравнивались со схемой типовой съемки, проводимой по квадратам через 20 м. Критерием оптимальности служит минимальное расхождение между вычисленной проектной отметкой исследуемого маршрута и эталонной проектной отметки типовой схемы съемки. Наиболее близкими к оптимальному маршруту экспресс съемки оказались диагональная и перекрестная схемы (рисунок 18).

Проведенный анализ 27 картограммах показал, что длина диагональной траектории съемки составляет 38,4 % от эталонной длины, длина перекрестной - 39,6 %, а расхождения проектных отметок - соответственно 0,8 и 0,4 см.

Рассматриваемые схемы вертикальной съемки представлены па рисунке 18. Результаты сопоставления маршрутов движения машины при проведении экспресс съемки на чеке

200x280 м, площадью 5,6 га сведены в таблицу 6. Анализ различных картограмм показывает, что наилучшая сходимость результатов экспресс съемки с ее типовой схемой наблюдается при перекрестном маршруте (в) движения машины, который пересекает большинство неровностей чека с длиной 40-80 м. Среднее отклонение проектных отметок на обработанных чеках находятся в пределах 0,4 см (0,3 %).

Лазерно-программная система управления (ЛП САУ) снабжается вычислительным устройством для проектирования планировочных работ. На этот способ и устройство планировки орошаемых земель подана заявка на изобретение.

По окончанию расчетов ЛП САУ выдает проект планировочных работ в виде записи или схемы на дисплее пульта управления, где указаны вычисленные высотные отметки и месторасположения зон срезок, насыпей и зон нулевых работ.

£

V, Фг/

А, ф\

Ч' Фу

Фу/

-Г/SV//, >3см; Аа*3см ✓ У

/ ¿7iJcrt ß ✓ у -А?<Зсм ■ *

-й6<3см • ч ✓ +Д3>Зар

4 ¿st3ot ч

Рисунок 18 - Схемы вертикальной съемки: а-типовая Рисунок 19 Схема место-съемка через 20 м, экспресс съемка: б - диагональная, в расположений зон срезок I, - перекрестная, С1,2 - первый и второй старт, Ф1,2- насыпей II

первый и второй финиш. и зон нулевых работ III.

Предлагаемый способ и устройство для съемки и проектирования рисовых чеков позволяют составить проект планировки, сократить количество проходов по чеку за счет перекрестного оптимального маршрута движения, определить величины зон срезок и насыпей и зон нулевых работ и наметить рациональный маршрут планировки.

В шестой главе даются рекомендации по применению скрепера - планировщика с лазерно — программной системой автоматического управления и проведен расчет экономической эффективности применения скрепера - планировщика с ЛП-САУ

Скрепер-планировщик СП-1 предназначен для срезки, транспортировки и отсыпки грунта. При оснащении лазерной системой автоматического управления скрепер-планировщик СП-1 А планирует поверхность земли под проектную плоскость с точностью ± 3 см. Лазерно-программная система автоматического управления обеспечивает проведение скрепером-планировщиком СП-1 АН вертикальной съемки, проектирование, планировку рисовых чеков и контроль точности спланированной поверхности.

Скрепер-планировщик рассчитан на работу в различных по составу грунтах категории с влажностью не более 15-20 % при температуре окружающей среды в пределах от 0 до +50град.°С. Возможно использование машин с большей влажностью при условии отсутствия налипания грунта в ковше. Неровности планируемой поверхности при одном проходе машины не должны превышать 10 см. Допускается использование планировщика в 2 и более проходов, когда неровности поверхности превышают 10 см.

Скрепер-планировщик с ЛП САУ рекомендуется использовать при проведении выборочной и сплошной планировки ежегодно или периодически через 2 года, когда

объемы земляных работ не выше 150 м3/га, а срсднсквадратичсскис отклонении неровностей чеков не более 4,2 см.

Комплексная технология состоит из непрерывной цени последовательных и взаимосвязанных между собой на каждом чеке следующих технологических операций: экспресс съемка, проектирование планировочных работ, планировка, экспресс контроль точности спланированной поверхности и при необходимости исправительная планировка.

После включения режима ст,емки («Запись») лазерный приемник поднимается автоматически до момента его пересечения с лазерной опорной плоскостью. Съемку проводят последовательно при движении скрспсра-нланирошцика по перекрестному маршруту 1 • ■ 2 - 3 и 4 - 5 - 6. Расстояние 3-4 проходят без съемки с выключенной автоматикой (рисунок 20).

11 процессе движения скрепера-планировщика с системой ЛИ СЛУ происходит накопление, запись и сохранение в памяти пульта управления данных о высотных отметках и пройденном пути. Эти данные, являющиеся проектом планировочных работ, просматриваю')' " режиме чтения на дисплее пульта управления. Определяют рациональный маршрут движения скрепера-планировщика при планировке.

Планировка рисового чека производится сразу после завершения экспресс съемки без перестановки лазерного передатчика. На пульте управления устанавливается режим планировки. Пульт управления вычисляет высоту проектной отметки планировки по данным записанной съемки, после чего приемник автоматически выдвигается на расчетную величину.

Отчеты контролируются по цифровым показаниям на дисплее пульта управления. Центр приемника с помощью гидросистемы выводят па лазерную опорную плоскость, о чем свидетельствует команда «луч» на индикаторе пульта.

После этого скрепер-планировщик на рабочем ходу производит планировку, перемещаясь на чеке в режиме автоматического управления по выбранной технологической схеме движения.

Технологическая схема планировки определяется по срсдпсквадратическому отклонению а на пульте управления. Если а < 3 см, то осуществляется сплошная планировка, При а > 3 проводится сначала выборочная, а затем сплошная планировка.

Выборочная планировка проводится в соответствии с намеченным маршрутом движения машины, когда грунт из мест срезок перевозится в места насыпей, а зоны нулевых работ не планируется. В начале работ грунт из зоны срсзки с наибольшим отклонением от проектной плоскости вывозится в ближайшую зону пашни. Нсли о&ь-ем грунта в зоне срезки превышает объем грунта в зоне ближайшей («сыпки, то избыточный грунт вывозится в другую зону отсыпки. При недостатке объема грунта в зоне насыпи производится вывоз грунта из другой зоны срсзки.

Рисунок 20. План экспресс съемки: а -лазерный передатчик, б - вешка, в - маршрут движения скрепера-планировщика с ЛП СЛУ при съемке, г - холостой переезд.

Сплошную планировку под проектную плоскость выполняют так же без перестановки лазерного передатчика параллельными полосами, примыкающими друг к другу. Сплошную планировку рекомендуется проводить по загонной схеме.

Экспресс контроль точности спланированной поверхности чека рекомендуется проводить сразу по окончанию планировки чека без перестановки лазерного передатчика скрепером-планировщиком с ЛП САУ при его движении из одного угла к противоположному углу чека в режиме съемки. После контрольного прохода в режиме чтения определяют высотные отклонения от проектной плоскости по показаниям на дисплее пульта управления. При обнаружении недопустимых отклонений (более ± 3 см) производится исправительная планировка на дефектных участках при помощи скрепера - планировщика с ЛП САУ.

Так же в этой главе были расчеты по определению технико-экономических показателей.

Экономический эффект от ежегодной планировки с применением скрепера планировщика, оснащенного лазерно-программной системой автоматического управления, составляет 2,8 тыс.руб/га в год при стоимости планировки 1293 губ./га за счет прибавки урожайности риса-сырца после проведения лазерной планировки (±3см).

Эффективность периодической планировки, проводимой через 2 года с применением автоматизированного скрепера-планировщика в 2,9 раза менее эффективна по сравнению с ежегодной планировкой, т.к. в этом случае за время эксплуатации рисовых чеков значительно деформируется поверхность и растут потери урожайности риса.

Ежегодная или периодическая планировка исключает необходимость в проведении дорогостоящей капитальной планировки, сопровождающейся значительными объемами земляных работ и высокой стоимостью при использовании как минимум двух различных типов землеройно-планировочных машин (планировщика и скрепера)

Общие выводы.

1. Точность планировки рисовых чеков назначают в пределах ± 3 см, что обеспечивает максимальную урожайность риса и наибольшую экономию поливной воды. В настоящее время состояние поверхности рисовых систем не соответствует этим требованиям и почти 41 % рисовых чеков нуждаются в точной планировке. При этом хозяйства не дополучают около 26 % урожая риса и потребляют примерно на 33 % больше поливной воды.

2. Обзор и анализ применяемых землеройно-планировочных машин, лазерного оборудования и существующих технологий планировки рисовых чеков показал, что скреперы и длиннобазовые планировщики не обеспечивают требуемую точность планировки из-за отсутствия системы автоматического управления рабочим органом по выстоте. Короткобазовые планировщики с лазерным управлением удовлетворяют требованиям к точности планировки. Однако они ограничены в применении из-за ряда присущих им недостатков и нуждаются в совершенствовании. Поэтому возникает необходимость в создании принципиально новой универсальной планировочной машины, сочетающей свойства скрепера и планировщика с бездонным ковшом. При оснащении разрабатываемой машины усовершенствованной лазерно-программной системы управления она может обеспечить многофункциональный режим съемки, проектирования и планировки рисовых чеков а также контроля точности спланированной поверхности.

3. На основе теоретических исследований построена трехмерная поверхность отображающая характер неровностей чека. Установлено, что обобщенной характеристикой, позволяющей взвешенно оценить степень неравномерности чека по высоте,

можно считать дисперсию или среднекпадратическое отклонение. Результаты теоретических исследований подтверждают целесообразность создания универсального скрс-пера-планировщика, который эффективно можно использовать при проведении ежегодной и периодической планировки.

4. Исследования процесса формирования призмы волочения при работе планировщика подтвердили, что неавтоматизированный планировщик не мозкег планировать длинные неровности. Автоматизированный планировщик обеспечивает их выравнивание с высокой точностью. Однако из-за периодического переполнения грунтом ковша требуется применение дополнительной машины-скрепера. Но избежание этого необходимо разработать универсальную планировочную машину со свойствами скрепера и планировщика, что согласуется с результатами теоретических исследований по анализу трехмерных поверхностей рисовых чеков.

5. На основании анализа преимуществ и недостатков существующих планировщиков, скреперов и статистических исследования была разработана концепция универсальной планировочной машины - скрепера-планировщика. Разработаны и изготовлены физические модели скрепера-планировщика. Проведенными лабораторными исследованиями физических моделей машины в грунтовом лотке выявлено, что при величине среднеквадратичсского отклонения до 3 см машина может выравнивать неровности длиной до 20-25 м за один проход. Процесс перемещения груша скрснерным методом в 6,5 раз менее энергоемкий по сравнению с перемещением груша в бездонном ковше вследствие отсутствия трения грунта о грунт. Конструкция разработанной машины защищена патентом на полезную модель. Подготовлена заявка па изобретение усовершенствованного образца скрепера-планировщика.

6. По конструкторской документации, разработанной автором в соответствие с патентом, заводом Ставропольского края изготовлены опытные образцы скрепера-планировщика, которые успешно прошли заводские и приемо-сдаточные испытания, признаны годными для эксплуатации и переданы в хозяйства Краснодарского края для проведения планировки рисовых'чеков.

7. Для сокращения времени на проведение типовой съемки рекомендуется новый способ, в котором выбран маршрут экспресс съемки. Наиболее оптимальной для маршрута экспресс съемки является перекрестная схема, которая пересекает большинство неровностей "чека с длиной 40 - 120 м. Расхождения проектных отметок между перекрестной и типовой съемкой не превышали 0,4 см (0,3 %), а длина перекрестного маршрута составила 40 % от траектории типового маршрута съемки.

8. Для составления проекта планировочных работ разработан аналитический способ расчета высотных отметок и месторасположений зон срезок, насыпей и зон нулевых работ с помощью усовершенствованной лазерно-программной системы автоматического управления (ЛП САУ), что позволяет наметить рациональный маршруг передвижения машины до планировки. На новый способ съемки и проектирования подана заявка на изобретение.

9. При усовершенствовании лазерно-программной системы автоматического управления (ЛП САУ) дополнительно предложен режим проектирования с визуальным определением маршрутов движения и контроля точности спланированной поверхности, введены режим автоматической установки рабочего органа машины на вычисленную проектную отметку и режим автоматической планировки рисовых чеков, что позволяет проводить весь комплекс планировочных работ на одной машине

10. На основании выполненной работы разработаны рекомендации но применению скрепера- планировщика с усовершенствованной лазерно-программной системой

автоматического управления (ЛП САУ). Разработана комплексная технология планировочных работ.

11. Результаты технико-экономических расчетов показывают, что стоимость ежегодной и периодической планировки с применением автоматизированного скрепера-планировщика в 1,48 -1,46 раза меньше стоимости капитальной планировки. Экономический эффект от применения скрепера-планировщика с ЛП САУ составляет 618 -599 руб/га и 831-757 тыс.руб. в год соответственно на ежегодной и периодической планировке рисовых чеков.

Основное содержание диссертации отражено в опубликованных работах:

1. Антонов, Е.В Совершенствование рабочих процессов выполнения текущих планировочных работ при выравнивании с/х полей [текст] / Е.В. Антонов //М.-.МГУП, 2004. - С. 254-258

2. Антонов, Е.В. Характеристики микрорельефа рисовых чеков и рекомендации по повышению эффективности планировочных работ [текст] / Е.В. Антонов, Ю.Г. Ревин И М..-МГУП, 2005. - С. 418 - 422

3. Антонов, Е.В. Повышение эффективности проведения текущей планировки на рисовых чеках [текст] / Е.В. Антонов // М.:МГУП, 2006. - С. 198-201

4. Антонов, Е.В. Комплексная технология планировки рисовых чеков с применением автоматизированного скрепера-планировщика [текст] / Е.В. Антонов // Мелиорация и водное хозяйство - 2008 №11.

Москвоский государственный университет природообустройства (МГУП)

Зак.№ 7Л 7 Тираж 100

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ современного состояния комплекса планировочных работ на рисовых чеках.

1.1 Актуальность точной планировки рисовых чеков.

1.2 Способы и технические средства для вертикальной съемки поверхности земли. I | к

1.3 Компьютерное проектирование планировочных работ на рисовых чеках.

1.4 Конструкции используемых землеройно-планировочных машин.

1.5 Применяемые лазерные системы автоматического управления высотным положением рабочего органа планировочных машин.

1.6 Существующие технологии планировки рисовых чеков.

1.8 Цель и задачи исследований.

Выводы по первой главе.

2. Анализ состояния поверхности рисовых чеков и обоснование типа планировочной машины.

2.1. Методика оценки микронеровностей поверхности рисовых чеков.

2.2. Результаты статистического анализа неровностей поверхности рисовых чеков.

2.3 Обоснование вида планировки и типа планировочной машины.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Формирование концепции универсальной планировочной машины.

3.1 Исследование формирования призмы волочения в бездонном ковше планировочной машины.

3.2 Концепция универсальной землеройно-планировочной машины -скрепера-планировщика.

3.3 Методика лабораторных испытаний физических моделей скрепера-планировщика

3.4 Разработка усовершенствованного лабораторного оборудования.

3.5 Лабораторные исследования физических моделей в грунтовом лотке и определение основных параметров скрепера-планировщика.

3.6. Результаты предварительных испытаний опытных образцов скрепера-планировщика

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Разработка комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков

4.1 Разработка способа экспресс съемки поверхности рисовых чеков.

4.2 Разработка способа экспресс проектирования планировочных работ.

4.3 Обоснование усовершенствованной технологии выравнивания поверхности рисовых чеков.

4.4 Обоснование метода экспресс контроля точности спланированной поверхности.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5. Разработка усовершенствованной многофункциональной лазерно-программной системы автоматического управления.

5.1 Усовершенствование многофункциональной лазерно-программной системы автоматического управления высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика.

5.2 Обоснование параметров электрогидравлической системы.

5.3 Методика лабораторных и полевых исследовательских испытаний опытного образца лазерно-программной системы автоматического управления.

5.4 Результаты лабораторных и полевых исследовательских испытаний опытного образца лазерно-программной системы автоматического управления.

Выводы по пятой главе.

Глава 6. Рекомендации по применению скрепера- планировщика с лазерно-программной системой автоматического управления.

6.1 Назначение, область и условия применения.

6.2 Подготовительные работы.

6.3 Комплексная технология планировочных работ на рисовых чеках с применением автоматизированного скрепера-планировщика.

6.4 Экономическая эффективность применения скрепера-планировщика с лазерно-программной системой автоматического управления.

6.4.2. Исходные данные.

6.4.3. Расчет производительности скрепера-планировщика СП-4,0АН.

6.4. Расчет экономической эффективности планировки рисовых чеков с применением автоматизированного скрепера-планировщика.

6.4.1 Сплошная планировка.

6.4.2 Периодическая (выборочная и сплошная) планировка.

6.4.3. Экономическая эффективность скрепера-планировщика СП-4,0АН.

Выводы по шестой главе.

Диссертация посвящена совершенствованию комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков и разработке многофункциональной планировочной машины с расширенными техническими и технологическими возможностями.

Актуальность исследований

Мировой и отечественной практикой земледелия доказано, что планировка или выравнивание поверхности земли является главным мелиоративным мероприятием, предназначенным для устранения имеющихся на поле неровностей в виде различных повышений и понижений. Наиболее ярко эффективность планировки проявляется, на рисовых чеках, от микрорельефа которых в первую очередь зависит урожайность риса и других культур рисового севооборота. При строительстве, реконструкции и эксплуатации рисовых оросительных систем по действующим требованиям колебания отметок микрорельефа чеков не должны превышать ± 5см. Накопленный опыт выращивания риса в Краснодарском крае подтверждает, что неровности поверхности чеков, находящиеся в пределах ±10 . 13см, приводят к снижению урожайности риса в 1,5-2,7 раза и увеличению расхода поливной воды в 1,7-3,4 раза, что иллюстрируется таблицами 1 и2[12,14,17].

Необходимо отметить, что высокоточной планировке рисовых чеков отводитея особая роль. Так, например, по данным Величко Е.Б. и Шумакова Б.Б. урожайность риса при колебаниях отметок чеков, спланированных с повышенной точностью равной ±3см, в 1,5 раза выше, а затраты поливной воды в 1,6 раза ниже, чем при отклонениях отметок чеков в пределах ±5см. Таким образом, повышение точности планировки на ±2см дает прибавку урожайности риса на 19,9 ц/га (47%) и экономию поливной воды 1621 м3 на тонну риса сырца (36%) [12,14]. . г

В современных условиях эксплуатационная (предпосевная) планировка выполняется длиннобазовыми планировщиками, что не всегда эффективно, 4 т.к. при этом не достигается требуемая точность планировки из-за отсутствия автоматической системы управления рабочим органом по высоте.

При капитальной планировке рисовых чеков применяют различные технологии, где в качестве ведущих машин используют короткобазовые планировщики с бездонным ковшом и клин - планировщики. Применение на этих машинах лазерных систем автоматического управления (ЛСАУ) позволяет достигать высокой точности планировки (±3см). Однако при этом появляется необходимость в использовании других машин, что приводит к увеличению земляных работ.

При всем многообразии существующих технологий и машин сегодня отсутствует единый подход к определению оптимальных параметров земле-ройно-планировочных машин, остается неясным, какими критериями следует руководствоваться при выборе типа машин и совершенствовании комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков.

Решение этой проблемы становится чрезвычайно своевременным, поскольку по оценке ВНИИриса около 70% существующих рисовых систем остро нуждаются в реконструкции. Учитывая, что в России к настоящему времени по данным НИИТЭИагропром площади посевов риса составляют 170 тыс. га, то проведение точной планировки дополнительно может дать примерно 217 тыс. тонн риса ежегодно.

Цель и задачи работы

Цель работы - совершенствование комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков и разработка универсальной землеройно-планировочной машины.

Для достижения указанной цели должны быть выполнены следующие t этапы:

1. Провести обзор и анализ современного состояния планировочных работ и обоснование необходимости его совершенствования.

2. Провести статистический анализ состояния поверхности рисовых чеков 5 и обосновать рациональный выбор вида планировки рисовых чеков и типа землеройно-планировочных машин.

3. Сформировать концепцию универсальной землеройно-планировочной машины - скрепера-планировщика и разработать его конструкцию.

4. Разработать физические модели скрепера-планировщика и на основе проведения лабораторных исследований обосновать его основные параметры.

5. Провести предварительные испытания опытного образца скрепера-планировщика.

6. Разработать комплексную технологию съемки, проектирования и планировки рисовых чеков, а также контроля точности спланированной поверх

-1. ности.

7. Усовершенствовать многофункциональную лазерно-программную систему автоматического управления (ЛП САУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и провести ее полевые испытания.

8. Оценить технико-экономические показатели скрепера-планировщика.

9. Разработать рекомендации по применению скрепера - планировщика.

Методика исследований

Теоретические исследования базируются на использовании методов теории вероятности и математической статистики, теории случайных функций и методов статистической динамики.

Лабораторные исследования проводились на основе методов физического и физико-математического моделирования и применения цифровой фотосъемки. При проведении полевых исследований различных технологий планировки рисовых чеков применялся метод производственной апробации с применением автоматизированных землеройно-планировочных машин в ри-сосеящих хозяйствах Краснодарского края. Регистрация исследуемых параметров ЛСАР проводилась методами лабораторных и полевых измерений с применением специальной электронной и лазерной аппаратуры. б

Технологические параметры определялись инструментальными замерами и хронометражными наблюдениями. Для обработки экспериментальных данных использовались методы корреляционного и спектрального анализа, реализованные в стандартных компьютерных программах.

Достоверность основных выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с результатами полевых и лабораторных испытаний.

Научная новизна работы

В результате теоретических исследований разработана трехмерная модель поверхности рисового чека, получены обобщенные статистические характеристики микрорельефов рисовых чеков, предложена их классификация по объемам земляных работ и распределению их по поверхности, получены данные по амплитудам неровностей в зависимости от их длины, дан анализ технологических возможностей применяемых землеройно-планировочных машин.

Уточнены математические модели землеройно-планировочных машин и сформулирована концепция универсальной землеройно-планировочной машины - скрепера-планировщика. На основе лабораторных исследований разработанных физических моделях и полевых испытаний изготовленных опытных образцов скрепера-планировщика обоснованы основные параметры машины.

Разработан комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. Усовершенствована многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика. В результате проведенных лабораторных и полевых исследовательских испытаний экспериментальных и опытных образцов ЛПСАУ установлены их основные характеристики. »

Апробация работы

Результаты исследований комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков использованы УГП «Инженерный центр «Луч» при внедрении научно-технической продукции по договору с Департаментом мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Министерства сельского хозяйства Российской Федерации за № 20-01-ЗВ от 10.01.2001г.

Основные результаты исследований докладывались на заседаниях научно-технических конференций, проводимых ежегодно в Московском государственном университете природообустройства в период 1997-2008 гг, а также в 2007 г. на международных конференциях в Московском государственном горном университете (МГГУ).

Основные теоретические положения диссертации и разработанные элементы конструкции скрепера-планировщика (гидросистема и лазерно-программная система автоматического управления) прошли апробацию в рисосе'ящих хозяйствах Краснодарского края и на заводе изготовителе машины.

Практическая ценность исследований

На основе выдвинутой концепции универсальной землеройно-планировочной машины автором разработана конструкторская документация на скрепер-планировщик СП - 4,0 и СП - 4,0А, по которой заводом Ставропольского края изготовлены опытные образцы. Первый образец СП-4,0 успешно прошел заводские и приемо-сдаточные испытания и используется в настоящее время при планировке рисовых чеков в хозяйстве Краснодарского края.

Конструкция разработанного скрепера-планировщика защищена патентом на полезную модель, подготовлена заявка на полезную модель усовер-шенстдеванной конструкции машины.

По результатам рекомендаций диссертационной работы изготовлены и успешно прошли полевые испытания опытные образцы лазерно8 программной системы автоматического управления с гидроблоком в хозяйствах Краснодарского края.

Разработаны рекомендации по применению автоматизированного скрепера - планировщика.

На защиту выносятся:

1. Методика статистической оценки неровностей поверхности рисовых чеков в трехмерном ее представлении.

2. Обобщенные статические характеристики микрорельефов рисовых чеков,

3. Результаты выбора вида планировочных работ и типа землеройно-планировочных машин.

4. Разработанные конструкции универсальной планировочной машины -скрепера-планировщика.

5. Разработанные физические модели скрепера-планировщика и результаты их лабораторных исследований.

6. Комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. о

7. Усовершенствованная многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и результаты ее лабораторных и полевых исследовательских испытаний.

8. Рекомендации по применению автоматизированного скрепера-планировщика и его технико-экономическая эффективность.

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликовано 6 печатных работ в период 2003-2008гг.

1. Совершенствование рабочих процессов выполнения текущих планировочных работ при выравнивании с/х полей. Горный информационно-аналитический бюллетень № 8, МГУП, 2004.

2. Характеристики микрорельефа рисовых чеков и рекомендации по повышению эффективности планировочных работ, МГУП, 2005 (в соавторстве).

3. Повышение эффективности роботы мелиоративного планировщика и снижение экономических затрат на проведение текущей планировки, МГУП, 2006.

4. Планировщики полей с лазерным управлением. ФГНУ ЦНТИ «Мелио-водинформ», М, 2007 (в соавторстве).

5. Патент на полезную модель № 61733 Скрепер-планировщик, Бюллетень . № 7 от 10.03.2007 (в соавторстве).

Ч г

6. Патент на полезную модель № 72992 Планировщик, Бюллетень .№13 от 10.05.2008 (в соавторстве).

7. Ефремов А.Н. и Антонов Е.В. Лазерная планировка рисовых чеков. Вопросы мелиорации, № 1-2, ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», М, 2008.

8. Антонов, Е.В. Комплексная технология планировки рисовых чеков с применением автоматизированного скрепера-планировщика Е.В. Антонов «Мелиорация и водное хозяйство» - 2008 №4.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах и содержит 150 таблиц,рисунков, список используемой литературы из наименований и приложений настраницах

Общие выводы

1. Точность планировки рисовых чеков назначают в пределах ± 3 см, что обеспечивает максимальную урожайность риса и наибольшую экономию поливной воды. В настоящее время состояние поверхности рисовых систем не соответствует этим требованиям и почти 41 % рисовых чеков нуждаются в точной планировке. При этом хозяйства не дополучают около 26 % урожая риса и потребляют примерно на 33 % больше поливной воды. В процессе эксплуатации рисовых оросительных систем происходит искажение спланированной поверхности чеков с образованием значительных неровностей, приводящих к возрастанию объемов земляных работ и увеличению стоимости планировки. Поэтому одной из главных задач повышения урожайности риса, экономии поливной воды и сокращения стоимости работ является регулярное проведение точной планировки на всей площади посевов риса.

2. Обзор и анализ применяемых землеройно-планировочных машин, лазерного оборудования и существующих технологий планировки рисовых чеков показал, что скреперы и длиннобазовые планировщики не обеспечивают требуемую точность планировки из-за отсутствия системы автоматического управления. Короткобазовые планировщики с лазерным управлением удовлетворяют требованиям к точности планировки. Однако они ограничены в применении из-за ряда присущих им недостатков и нуждаются в совершенствовании. Поэтому возникает необходимость в создании принципиально новой универсальной планировочной машины. При оснащении разрабатываемой машины усовершенствованной лазерно-программной системы управления она может обеспечить многофункциональный режим съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности.

3. На основе теоретических исследований разработана трехмерная модель неровностей поверхности рисовых чеков. Установлено, что обобщенной характеристикой, позволяющей взвешенно оценить степень неравномерности чека по высоте, можно считать дисперсию или среднеквадратическое откло

130 нение, которое изменяется в диапазоне то 2,5 до 9см. Скрепер-планировщик можно эффективно использовать при проведении ежегодной и периодической (через 2 года) планировки с объемами земляных работ не превышающими соответственно 100 и 150 мЗ/га при среднеквадратических отклонениях не выше 3 и 4.2 см и величинах срезок до 10 см. На капитальной планировке рисовых чеков целесообразно применять скреперы с лазерно-приемной аппаратурой совместно с автоматизированными планировщиками.

4. Разработанные математические модели землеройно-планировочных машин показывают, что неавтоматизированный планировщик не может планировать длинные неровности. Автоматизированный планировщик обеспечивает их выравнивание с высокой точностью. Однако из-за периодического переполнения грунтом ковша требуется применение дополнительной машины-скрепера. Во избежание этого необходимо разработать универсальную планировочную машину со свойствами скрепера и планировщика.

5. Проведенными лабораторными исследованиями разработанных физических моделей скрепера - планировщика в грунтовом лотке выявлено, что среднее тяговое усилие в режиме работы планировщика составляет 4,5тс и колеблется в интервале от 4 до 5,2тс. Это позволяет агрегатировать скрепер -планировщик с базовым трактором бтс. В скреперном режиме работы максимальный объем грунта в ковше составляет 5м , среднее тяговое усилие при транспортировке грунта в ковше равно 0,63тс при разбросе нагрузок от 0,4 до 0,8тс.

6. По конструкторской документации, разработанной автором, заводом Ставропольского края изготовлены опытные образцы скрепера-планировщика, которые успешно прошли заводские и приемо-сдаточные испытания, признаны годными для эксплуатации и переданы в хозяйства Краснодарского края для проведения планировки рисовых чеков. Конструкция разработанной машины защищена патентом на полезную модель. Подготовлена заявка на изобретение усовершенствованного образца скрепера-планировщика

7. Для сокращения времени на проведение типовой съемки разработан новый способ, в котором выбран маршрут ускоренной экспресс съемки. Наиболее близкий к оптимальному маршруту экспресс съемки является перекрестная схема, которая пересекает большинство неровностей чека с длиной 40 - 120 м. Расхождения проектных отметок между перекрестной и типовой съемкой не превышали 0,4 см (0,3 %), а длина перекрестного маршрута составила 40 % от траектории типового маршрута съемки.

8. Для составления проекта планировочных работ разработан аналитический способ расчета высотных отметок и месторасположений зон срезок, насыпей и зон нулевых работ с помощью усовершенствованной лазерно-программной системы автоматического управления (ЛП САУ), что позволяет наметить рациональный маршрут передвижения машины до планировки. На новый способ съемки и проектирования подана заявка на изобретение. Технологическую схему работы автоматизированной землеройно-планировочной машины рекомендуется определять после съемки по величинам среднеквадратических отклонений. •

9. Усовершенствованная лазерно-программная система автоматического управления (ЛП САУ) обеспечивает режимы съемки, проектирования и планировки и позволяет проводить весь комплекс планировочных работ на одной машине. Для ЛП САУ разработана гидросистема с гидроблоком ГБ - У, на которую оформлена заявка на полезную модель. В результате проведенных лабораторных и полевых исследовательских испытаний опытного образца ЛП САУ установлены его основные технические характеристики, которые соответствуют предъявляемым требованиям и подтверждают его работоспособность. Погрешность измерения высотных отметок ЛП САУ в сравнении с данным нивелировки составляет ± 1,5 см (1,1 %), т.е. наблюдается близкая сходимость результатов независимых замеров.

10. На основании выполненной работы разработаны рекомендации по применению скрепера- планировщика с усовершенствованной лазерно-программной системой автоматического управления (ЛП САУ). Экономиче

132 ский эффект ежегодной планировки с применением автоматизированного скрепера-планировщика, составляет 2,8 тыс.руб./га и 3763 тыс. руб. в год при стоимости планировки 1293 руб./га за счет прибавки урожайности риса-сырца после проведения лазерной планировки (± 3 см). Эффективность периодической планировки, проводимой через 2 года, в 2,8 -2,9 раза меньше по сравнению с ежегодной планировкой, т.к. в этом случае за время эксплуатации рисовых чеков снижается качество (точность) планировки и растут потери урожайности риса.

1. Дубеиская В.И. Исследование планирующей способности планировщика: Дисс. . канд. техн. наук/ В.И Дубенская- М.: 1956. 208с.

2. Ченцов В.Н. Исследование следящей системы на автогрейдере: Дисс. .канд. техн. Наук / В.Н Ченцов- Л.: 1961. 210 с.

3. Братышев И.П. Дисс. канд. техн. наук/ И.П Братышев- М.: 1961.215с.

4. Локшин Э.И. Дисс. . канд. техн. наук / Э.И. Локшин- М.: 1961. 232с.

5. Каныгин А.И. Исследование процесса капитальной планировки орошаемых земель в голодной степи: Дисс. канд. техн. наук./ А.И. Каныгин-М.: 1961.- 170с.

6. Степанов Э.А. Исследование длины базы и местонахождение рабочегооргана планировочных машин. Дисс. . канд. техн. наук./ Э.А. Степанов- М.: 1955.-179с.

7. Величко Е.Б. Технология получения высоких урожаев риса./ Е.Б Величко, Б.Б Шумаков. М.: Колос, 1984.-84 с.8. "Улучшение эксплуатации оросительных систем и планировки орошаемых земель. Под редакцией акад. ВАСХНиЛ Б.Б. Шумакова. М.: Колос, 1982.

8. Гаджиев Т.М. Технология планировки орошаемых земель. / Т.М. Гаджиев -М.: Колос, 1981.

9. Маммаев З.М. Культуротехническая мелиорация, технологии и машины./ З.М. Маммаев, Б.М. Кизяев М.: Ассоциация Экост, 2003.

10. Строительство и эксплуатация рисовых систем. Сборник научных трудов. ВАСХНИЛ М.: Колос, 1984.

11. Рекомендации по возделыванию риса без применения гербицидов.1. КубСХИ, Краснодар, 1983.

12. Контроль качества планировки рисовых полей по критерию дефектности. Рекомендации. КубСХИ, Краснодар, 1979.

13. Попов В.А. Регулирование грунтовых вод на рисовых системах. / В.А.

14. Попов Краснодариздат, 1984.

15. Попов В.А. Система орошения риса / В.А.Попов РАСХН, ВНИИРиса1. Краснодар, 2000.

16. Калинин А.П., Агрономическая тетрадь. Возделывание риса по интенсивной технологии./ А.П.Калинин, Е.П.Алешин, М.И. Чеботарев М.: Россельхоиздат, 1987.-128 е.: ил.

17. Натальин Н.Б. Рисоводство./ Н.Б.Натальин М: Колос, 1973.-280 е.: ил.

18. Комплект технологических карт на высокоточную планировку орошаемых земель с применением автоматизированных землеройных машин и лазерных систем. М.: Кубаньоргтехводстрой, «ИЦ «Луч», ЦБНТИ, Госконцерна «Водстрой», 1991.

19. Ефремов А.Н Лазерная техника в мелиоративном строительстве./ .,

20. A.Н Ефремов А.К. Камальдинов, А.И. Мармалев, В.Г.Самородов,:-М.: Агропромиздат, 1989.-223 с.

21. Рекомендации по применению лазерных систем контроля на эксплуатационной планировке рисовых чеков. / Аникин А.К. Краснодар: 1985.-30 с.

22. Мелиоративные машины. Учебное пособие / Мер И. И. М.: Колос,1980.-250 с.

23. Зеленин А.Н. Машины для землеройных работ./ А.Н.Зеленин,

24. B.И.Баловнев, И.П. Керов-М.: Машиностроение, 1975.-424 с.

25. Практикум по мелиоративным машинам. / Ревин Ю.Г. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1995.- 208 с.

26. Строительные машины для механизации мелиоративных работ. / Суриков В.В. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1991.-463 с.

27. Методические указания для проведения лабораторно-практических за-'нятий по курсу «Мелиоративные машины» с использованием ЭВМ. / Ю.Г. Ревин, Ю.П.Леонтьев, М., 1991.-56 с.26.