автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование рабочего органа культиватора для междурядной обработки кукурузы

На правах рукописи

Орлов Андрей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ОРГАНА КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ МЕЖДУРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ КУКУРУЗЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Новосибирск - 2013 005539135

005539135

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет им П.А. Столыпина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Ковтунов Виктор Евгеньевич

Официальные оппоненты: Гуськов Юрий Александрович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», руководитель направления механизации процессов в агробизнесе

Арюпин Владимир Викторович

кандидат технических наук, ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, ведущий научный сотрудник лаборатории «Механизации овощеводства»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Сибирская государственная зональная машиноиспытательная станция» (ФГБУ СибМИС).

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 9 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении «Сибирский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 630501,Новосибирская обл., Новосибирский район, р.п. Краснообск-1, а/я 460 ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, телефон/факс: 8(383)348-12-09, e-mail: sibime@ngs.ru.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, автореферат размещен на сайтах: www.sibime-rashn.ru и www.vak2.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «13» ноября 2013 года.

Учёный Секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

W/ Коротких

Владимир Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и обоснование исследований. Важнейшим требованиям к перспективной почвообрабатывающей технике является снижение энергоемкости технологических процессов, совмещение технологических операций, что реализуется при создании новой техники на основе принципов блочномодульности, комбинированности и универсальности и её адаптивности к конкретным почвенно-климатическим условиям.

Невосполнимые биологические потери урожая происходят в основном в результате несоблюдения* агротехнических приемов по борьбе с сорняками в посевах, особенно пропашных культур.

Для многих хозяйств гербицидная прополка посевов практически не возможна из-за дорогостоящих препаратов. Поэтому и зарастают посевы кукурузы.

Поэтому поиск новых технологических приемов и средств их механизации при возделывании пропашных культур позволяющих с минимумом затрат производить продукцию является актуальной работой.

Кукуруза — одна из самых ценных сельскохозяйственных культур в мире по своим кормовым и продуктивным качествам.

Выращивание кукурузы не возможно без эффективной борьбы с сорняками.

Из-за позднего смыкания рядов кукурузы сорняки растут как в рядках, так и в междурядьях. Чувствительность кукурузы к сорнякам и ее конкурентоспособность не во всех фазах развития одинаковы. В связи с этими в разных фазах вегетации борьбу с сорняками кукурузы следует проводить дифференцировано.

До фазы второго-третьего настоящих листьев она малочувствительна к сорнякам. От этой фазы до появления восьмого-десятого листа засоренность может быть причиной резкого снижения урожая. В этот период (20...30 дней) посевы кукурузы должны быть свободными от сорняков.

Предлагаемая технология позволяет проводить одну культивацию, вместо 2-3 как по общепринятой технологии, то есть позволяет сократить расходы на ГСМ до 20% и другие расходные материалы, к которым относится и трудоемкость процесса. Технология основана на уничтожении сорных растений в рядках кукурузы. Рабочие органы экспериментального культиватора в отличии от серийных, например КРН — 5,6 имеют отвалы на концах лапы, которые при обработке между рядками кукурузы еще образуют небольшой вал над рядком кукурузы. Так как у кукурузы энергия роста больше в 2-3 раза чем у семян сорняков, то она способна преодолеть слой, образовавшийся над ней, и продолжить рост, но уже без сорняков.

Предложенная нами технология возделывания кукурузы актуальна, она исключает использование гербицидов, что в свою очередь благоприятно влияет на окружающую флору и фауну, а также на качество зерна и силоса, так как в нем не накапливаются токсичные вещества. Кроме того, снижаются трудозатраты на единицу продукции на 15-20%.

Цель исследований. Снижение засорённости посевов кукурузы за счёт угнетения сорной растительности путем применения комбинированного рабочего органа культиваторно-отвального типа при междурядной обработке.

Объект исследований. Технологический процесс междурядной обработки посевов кукурузы, с применением рабочего органа культиваторно-отвального типа.

Предмет исследований. Закономерности взаимодействия почвы с рабочими поверхностями рабочего органа культиваторно-отвального типа.

Научная гипотеза. Применение комбинированного рабочего органа культиваторно-отвального типа для обработки междурядий кукурузы позволит повысить урожайность за счёт уничтожения сорной растительности.

Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования.

Научная новизна.

Закономерности и зависимости, описывающие движение почвы по рабочим поверхностям комбинированного рабочего органа культиваторно -отвального типа.

Регрессионные модели процесса гребнеобразования позволяющие прогнозировать удельный объём почвы, перемещаемой комбинированным рабочим органом, в зависимости от параметров и режимов его работы.

Рациональные конструктивные параметры и режимы работы применяемого комбинированного рабочего органа культиваторно - отвального типа, обеспечивающие уничтожение сорной растительности.

Технологическая новизна подтверждена патентом РФ № 93006

Достоверность результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями, положительными результатами предварительных испытаний и эксплуатации комбинированного рабочего органа культиваторно-отвального типа.

Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическую реализацию в совершенствовании способа борьбы с сорной растительностью в процессе обработки междурядий кукурузы комбинированным рабочим органом культиваторно-отвального типа.

Внедрение. Орудие оснащённое комбинированными рабочими органами культиваторно-отвального типа для междурядной обработки кукурузы в 2009 -2011 году прошла производственную проверку на опытном поле ГОНО «Боевое» Исилькульского района Омской области.

Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на Международной научной конференции СИБНИИСХ (2010 г.), конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Омского ГАУ им. П.А.Столыпина (2009...2011 гг.).

По материалам исследований опубликовано 7 научных публикаций, в том числе три статьи в издании, реферируемом ВАК и патент РФ.

Исследования проводились в период с 2007 по 2011 годы в соответствии с планами НИР кафедры «Агроинженерии» ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А.Столыпина в рамках государственной темы № 0120002130-«Совершенствование технологических процессов зональных сельхозмашин повышение их агроэкологической эффективности».

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 41 рисунок, 7 приложений на 16 страницах. Список использованной литературы включает 138 наименований, в том числе 4 иностранных источника.

На защиту выносятся.

Конструктивно-технологическая схема работы гребнеобразователя культиваторно-отвального типа для междурядной обработки кукурузы и уничтожения сорной растительности.

Выявленные закономерности процесса подрезания и передвижения почвы от середины междурядий, к периферии.

Регрессионные модели процесса гребнеобразования

Рациональные конструктивные параметры рабочего органа культиваторно-отвального типа при обработке междурядий кукурузы.

Результаты лабораторно-полевых исследований с использованием рабочего органа культиваторно — отвального типа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении приведена актуальность и обоснование направления исследования, изложены научные положения, выносимые на защиту, и их основные позиции.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены зональные почвенно-климатические условия, приведены основные агротехнические требования к обработке междурядий, проведён анализ работы перспективных конструкций почвообрабатывающих машин, и анализ способов обработки пропашных культур.

В результате анализа технических решений для обработки междурядий пропашных культур нами было установлено, что существующие технические средства для междурядной обработки имеют ряд недостатков конструктивного характера, которые препятствуют выполнению технологического процесса междурядной обработки с выполнением всех агротехнических норм в полном объёме.

Проведенный анализ позволил сформулировать цель исследований -снижение засорённости посевов кукурузы за счёт угнетения сорной растительности путем применения комбинированного рабочего органа культиваторно-отвального типа.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

обработки, я, м; - радиус винтовой линии, м; И - ширина сечения отвала, м- <р -угол подъема винтовой линии, град; Ч> - угол подъёма оси винтовой линии к поверхности почвы, град; Ь - длина винтовой линии, образующей отвала м '

Перемещение почвы в зоне рабочего органа можно разделить на 3 этапа-движение почвы по поверхности лапы; движение почвы по отвалам; движение почвы после схода с поверхности отвала.

При движении почвы по поверхности лапы, на неё действуют следующие

силы: и - сила тяжести пласта, Н; ГИ - сила инерции, Н; Гл - сила

препятствующая деформации почвы, Н; N - сила реакции действующая на

почвенный слой со стороны лапы, Н; Ртр - сила трения почвенного слоя по поверхности.

Векторную сумму сил определим по формуле:

¿/? = о+РТР+Рд+й _

При определении силы препятствующей деформации почвы удобнее разоить её на три составляющие силы:

(2)

Рисунок 2 - Схема сил, действующих на поверхность режущей части рабочего органа

При движении почвы относительно поверхности раствора лапы происходит её частичное смещение к периферии лапы, вдоль лезвия

С учетом геометрических особенностей стрельчатой лапы и физико-механических свойств почвы секундную массу почвы, смещаемую к периферии, идущую на образование гребня определяем по формуле-

М, = / ■ с -вта + -

а-с-зта

Ь ■ V, — ' 8

С05 — 2

Для оборота срезаемого лезвием раствора лапы почвенного слоя и формирования качественной почвенной насыпи, необходимо, чтобы почвенный слой двигался по винтовой траектории (рис. 3).

винтовой траектории: Р - шаг винтовой линии, м; £> - диаметр винтовой линии отвала, м; ср - угол подъема винтовой линии, град.

При значении угла 0° < <р < 90° искомый отвал имеет образующую с параметрами, представленными на схеме рисунка 3.

Рисунок 4 - Схема формирования поверхности отвала: Ь - длина винтовой кривой ограниченной поверхностью отвала; 1Ч - длина образующей цилиндра ограничивающей длину винтовой кривой; Я -площадь кругового сегмента ограниченная сечением поверхности отвала; г - радиус сечения отвала; а -угол кругового сегмента ограниченного сечением отвала; а - угол сегмента образованного сечением отвала, град; 1Ц - длина цилиндра через которую проходит образующая отвала; к - коэффициент объемного заполнения.

Массу почвы, перемещаемую в единицу времени определим из выражения:

Мс =к-—-a- sin cr)-v„ - eos

sin 2(/9 180 > » Pg (4)

При установившемся движении агрегата должно соблюдаться равенство расходов почвенного слоя на выходе отвала и расхода почвы на построение половины гребня.

М0 = МС-М%

где - секундная масса слоя почвы, поступающая с отвала, кг/с: и

секундная масса сходящая с отвала, необходимая для формирования гребня, кг/с;

мп - секундная масса, теряемая в процессе формирования гребня, кг/с.

Расчетную формулу для определения секундной массы затрачиваемой на формирование гребня:

r-g-cos>//-cos<p-L(f-sini^+l)

1"2'- . (6)

где 5/7 - площадь поперечного почвы переносимой отвалом ;

V

скорость схода почвы с поверхности отвала, м/с. - угол образованный осью винтовой поверхности и плоскостью ХОУ, град;

С учетом потерь объема почвы получаем выражение для определения секундной массы почвы перемещаемой рабочим органом, который идет на формирование гребня:

Мг =4\ к-——(-^-CT-sino-)-cos/? + /• o-sina +---\-b-cos@-

sin2(p 180 l a-csina I 2

v

~ГГг . (7)

Для объективной агротехнической оценки работы предлагаемого технического решения, необходимо в качестве критерия оптимизации от секундной массы Мг перейти к удельному объему который должен иметь гребень согласно агротребований предъявляемым к окучиванию кукурузы.

а. б.

Рисунок 6 - а. - влияние ширины сечения отвала Л и радиуса винтовой линии г на тяговое сопротивление: Рт=/(Ъ,г), а =0,6 м; !Р=10о; <р=66°; V, = 3м/с;

= 0,15 м. б. - влияние глубины обработки а и скорости движения агрегата у, на тяговое сопротивление: Рт=^а,\п),г = 0,3 м; !Р=10о ; <р= 66°; И = 0,08м; Ь =

0,15 м

Анализ полученных поверхностей отклика зависимости показывает, что в большей степени на тяговое сопротивление влияет глубина обработки, в рамках варьируемого диапазона при увеличении глубины обработки происходит постоянное увеличение силы сопротивления движению Рт.

Технологический параметр ул - также влияет на силу сопротивления движению, при глубине обработки а = 0,1 м в диапазоне изменения ул от 0,6 до 3 м/с, Рт. возрастает на 100 Н (20%)

Радиус винтовой линии г, ширина сечения отвала И, угол подъёма винтовой линии <р и длина винтовой линии I оказывает незначительное воздействие на изменение силы Рт.

Угол подъёма оси винтовой линии к поверхности почвы У - в рамках исследуемого диапазоне не оказал никакого влияния на Рт.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» сформулированы цели и разработана программа экспериментальных исследований, включающая:

-изготовление макета рабочего органа согласно параметрам, полученным в результате теоретических исследований;

-изучение работы макета рабочего органа в почвенном канале с целью проверки и уточнения результатов теоретических исследований; -оптимизация параметров рабочего органа;

-изготовление опытного образца рабочего органа и проверка работоспособности конструкции в почвенном канале;

-изучение влияния конструктивных и технологических параметров рабочего органа на гребнеобразование и тяговое сопротивление;

При анализе уравнения 13 и поверхностей отклика (рисунки 7, 8) видно что наибольшее влияние на величину гребнеобразования Угр, оказывают- угол подъема винтовой линии отвала <р, радиус винтовой линии г и глубина обработки а. Оптим^ьное значение Угр достигнуто при глубине обработки в = 6 см, радиусе винтовой линии г = 0,3 м, ширине сечения отвала И = 0 08 м и угле подъёма винтовой линии <р = 60°.

После реализации эксперимента по определению влияния технологических параметров на тяговое сопротивление и обработки данных получено уравнение регрессии:

Рт = /0007,2170 -162,5906 к, + 167015,7850 а + 2737,3925 + 0,1377 кД (14)

По этим данным построены поверхности отклика - зависимости тягового сопротивления лапы от технологических параметров гребнеобразователя (рис.

V,, км/ч

Рисунок 9 - Тяговое сопротивление Рг =/(Ч, а).

При анализе уравнения 14 и поверхности отклика (рис. 9) видно что наибольшее влияние на величину тягового сопротивления гребнеобразователя °КаЗЫВаст глУбина обработки - а, а скорость движения лапы - у, оказывает влияние в меньшей степени, но имеет квадратичное влияние.

Для сопоставления результатов теоретических и экспериментальных исследовании рассмотрены зависимости удельного объёма образованного гребня У,у от скорости движения рабочего органа V, и глубины обработки а

010055 0,005

0,00*5

Ц.М ОДХ2 О.ПЗ

•ММ О.ОБ о л, 0,08 О.ОЭ О*

Ч, м

т«ор«тиц>ски> а

Рисунок 10 - Зависимость удельного объёма гребня Угр от глубины обработки ,

Угр -/(а),

г = 0,3 м; !Р=1(Г; <р=б£- А = 0,09м; Ь = 0,15 м,у, = 3 м/с

Из вышеприведённых графиков следует, что теоретические и экспериментальные зависимости имеют одни и те же тенденции к изменению и

подчиняются одним и тем же закономерностям.

---——------

MHS---" - '■ ■—____- _ -

« --=а—■■ - • ' ---

g MHS-----------

> lut-----------

Mns-----—---------

•,мз -|---—-------

M 1Л M гл J

Vji. krfc

[ —«теоре-тацескибзначения -экспериментальные зндиения |

Рисунок 11 — Объем гребня в зависимости от скорости движения Угр = f(vj, г =0,3 м; Ч>=\<$\ <р = h = 0,09м; L = 0,15 м, а = 0,1м; ¿ = 0,15 м, v„ = 3 м/с.

Для апробации эффективности и уточнения конструктивных и технологических параметров в полевых условиях на основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований был изготовлен макетный образец. Полевые исследования экспериментального образца культиватора, представляющего собой брус, с установленными на экспериментальными рабочими органами (рис. 12), проводились в сравнении с контрольным вариантом (без междурядной обработки), культиватором КРН-5,6 и обработкой гербицидами.

Рисунок 12 -Экспериментальный образец орудия.

Исследования проводились на полях ГОНО «Боевое» Исилькульского района Омской области » в 2009-2011 годах в соответствии с ОСТ 10 4.2-2001.

Для проведения испытаний в системе севооборотов было подобрано поле, на котором выделен участок для закладки опытов. Условия закладки опыта: предшественник чистый пар, тип почвы чернозем обыкновенный, механический состав среднесуглинистый, структурный состав почвы мелкокомковатый.

Результаты полевых исследований, представлены в табл. 2.

Таблица 2 — Результаты полевых исследований

Опыт Количество растений кукурузы Зеленая масса Количество сорняков Зеленая масса сорняков

шт /м2 Отклонение от контроля, % т/га Отклонение от контроля, % шт /м2 Отклонение от контроля, % кг/м2 Отклонение от контроля, %

Контроль 9,7 - 0,40 - 5,9 - 0,15 .

Обработка гербицидами 8,7 - 11,99 0,26 - 35,34 2,4 - 59,24 0,16 + 11,51

Обработка КРН-5,6 9,3 -4,70 0,37 -8,00 3,1 - 47,57 0,12 - 17,09

Обработка экспериментальным орудием 9,6 - 1,37 0,38 -4,27 1,9 - 67,45 0,03 - 77,49

После проведения опыта было установлено, что количество растений кукурузы на 1 м при контрольном варианте составило в среднем 9,7 шт/м2, при обработке гербицидами количество растений снизилось на 11,99 % и составило 8,7 шт/м2, при междурядной обработке посевов кукурузы культиватором КРН-5,6 снижение количества растений составило 4,7 % (9,3 шт/м ), при обработке экспериментальным культиватором снижение было на 1,37 % или в количественном выражении 9,6 шт/м2. Данное исследование доказывает превосходство экспериментального орудия над гербицидной обработкой и существующими техническими решениями, так снижение травмирования растений по сравнению с культиватором КРН-5,6 составило 3,22 %.

Исследования влияния вида обработки на урожайность зеленой массы показало, что обработка гербицидами уменьшает урожайность на 35,34 % по сравнению с контрольным вариантом, обработка экспериментальным орудием позволяет повысить урожайность кукурузы на 3,73 % по сравнению с обработкой культиватором КРН- 5,6.

Снижение количества сорняков при обработке экспериментальным орудием по сравнению с контрольным вариантом составила 67,45 %, в сравнении с гербицидной обработкой снижение составило 20,83 %, обработкой культиватором КРН-5,6 на 38,7 %.

Наименьшая масса сорняков на 1 м2 наблюдается у междурядной обработки экспериментальным орудием, при этом снижение массы сорняков по сравнению с контрольным вариантом составила 77,49 %.

В пятой главе экономическая эффективность нового устройства определяется характером улучшения конечных показателей сельскохозяйственного производства. Как показали расчеты, культиватор, оснащенный экспериментальными рабочими органами для обработки междурядий, за счёт формирования гребней рационального объёма и уничтожения сорной растительности позволил получить годовой экономический эффект, который в сравнении с применением КРН-5,6 составил 417 руб./га, или 104250 руб/год, при сезонной нагрузке 250 га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных и патентных источников выявил актуальность проблемы междурядной обработки посевов кукурузы, но существующие в настоящее время технологии не в полной мере отвечают современным требованиям по экологии и безопасности, поэтому остро встает вопрос о совершенствовании безгербицидной технологии обработки посевов кукурузы.

Поиск технических решений и их анализ позволил разработать конструктивно - технологическую схему рабочего органа для междурядной обработки кукурузы культиваторно-отвального типа.

2. Получены математические зависимости, определяющие степень влияния факторов, оказывающих воздействие на характер формирования гребня и его тяговое сопротивление при обработке междурядий кукурузы рабочим органом культиваторно-отвального типа. Это позволило выбрать диапазон варьирования данных факторов: радиус винтовой линии г в пределах 0,2 - 0,3 м, ширина сечения отвала И 0,07 - 0, 09 м, угол подъёма винтовой линии (р 60 - 70°; угол подъёма оси винтовой линии к поверхности почвы У и длина винтовой линии Ь, образующей отвала не оказали существенного влияния на объём почвы перемещаемый рабочим органом и его тяговое сопротивление.

3. В результате реализации многофакторного эксперимента получены регрессионные модели показывающие взаимосвязь основных физико-механических свойств почвы, определяющих энергоемкость и качество технологических процессов обработки почвы экспериментальным рабочим органом.

4. Установлены рациональные форма и размер рабочего органа культиватора. Оптимальное значение Угр достигнуто при глубине обработки а = 6 см, радиусе винтовой линии г = 0,3 м, ширине сечения отвала А = 0,08 м и угле подъёма винтовой линии (р - 60°.

5. Определена эффективность экспериментального орудия по сравнению с культиватором КРН-5,6 (аналог): снижение травмирования растений составило 3,22 %; рост урожайности зеленой массы кукурузы на 3,73 %; снижение количества сорняков на 1 м2 составило 38,7 %; а по сравнению с гербицидной обработкой снижение составило 20,83 %; масса сорняков меньше на 75 %.

6. Рассчитан годовой экономический эффект, в сравнении с применением КРН-5,6 составил 417 руб./га, или 104250 руб/год, при сезонной нагрузке 250 гектар.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Орлов, А. Н. Теоретическое исследование сил, действующих на слой почвы на лапе при движении культиватора./ А. Н. Орлов, Д. Н. Алгазин, Е. В. Красильников. // Омский научный вестник. - Омск, 2011. - № 1. - С. 266-268.

2. Орлов, А. Н. Влияние параметров гребнеобразователя культиваторно -отвального типа на образование гребней / А. Н. Орлов, Д. Н. Алгазин, Е. В. Красильников // Омский научный вестник. - Омск, 2013. - N° 1 (118). - С. 124— 127/

3. Орлов, А. Н. Исследование рабочего органа для обработки междурядий кукурузы/ А. Н. Орлов, Д. Н. Алгазин, Е. В. Красильников // Омский научный вестник.-Омск,2013.-№3 (123).-С. 158-161.

Изобретения и полезные модели

1. Патент на полезную модель № 93006. Р. Ф. МПК6 А 01 В 39/02. Рабочий орган пропашного культиватора/А.Н. Орлов, В.Е. Ковтунов.-№ 2009142571/Заявлено 18.11.2009.; Опубл. 20.04.2010, Бюл.№ 11.-3 с.

Статьи в сборниках научных трудов

1. Орлов, А.Н. К обоснованию рабочего органа и орудия для безгербицидной технологии возделывания кукурузы./ А.Н. Орлов, В.Е. Ковтунов//Реализация государственной программы развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: материалы международного научно-технического форума — Омского государственного аграрного университета, 26-27 февр. 2009 г.: в 2 ч. -Омск-380 с.-С. 335-337.

2. Орлов, А.Н. К методике исследования технологии рабочего органа для экологически безопасной обработки кукурузы./ А.Н. Орлов, В.Е. Ковтунов//Реализация государственной программы развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: материалы международного научно-технического форума -Омского государственного аграрного университета, 26-27 февр. 2009 г.: в 2 ч. -Омск - 380 с. - С. 337-338.

3. Рабочий орган пропашного культиватора: Информ. листок № 55-005-11.-Ом. ЦНТИ; Сост. А.Н. Орлов 2 с.

Подписано в печать 13.11.13. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 576.

Отпечатано в редакционно-полиграфическом отделе Тарского филиала ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина. 646530, г. Тара, ул. Тюменская, 18, тел. 2-02-40.

ФГБОУ ВПО ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. П.А. Столыпина

На правах рукописи

04201 45^71

ст

Орлов Андрей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ОРГАНА КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ МЕЖДУРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ КУКУРУЗЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор В.Е.Ковтунов по специальности 05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Новосибирск -2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1 Особенности агроклиматических условий 9

1.20бзор элементов технологии для междурядной обработки почвы и защиты растений от сорняков при возделывании 11 пропашных культур. 1 .ЗКлассификация и анализ технических решений для

междурядной обработки пропашных культур 22

1.40бзор исследований физико-механических свойств почвы, растений пропашных культур и сорняков в первоначальный период их развития 29

1.5Цель и задачи исследований 31

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ГРЕБНЕОБРАЗОВАНИЯ 34

2.1 Конструктивно-технологическая схема работы

гребнеобразователя культиваторно-отвального типа для междурядной обработки кукурузы и угнетения сорной растительности 34 2.2Движение почвы по поверхности рабочего органа 39 2.3Смещение почвы раствором лапы 45 2.4Движение почвенного пласта по поверхности отвала 45 2.50пределение объёма почвы для образования гребня 49 2.60пределение скорости схода почвы с поверхности отвала 51 2.7Движение почвы после схода с поверхности рабочего органа 53 2.80боснование рациональных параметров рабочего органа 53 2.90пределение тягового сопротивления рабочего органа 56 ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Программа исследований 63 З.ЗМетодика проведения лабораторных исследований 64

3.3.1 Описание экспериментальной установки 64

3.3.2 Методика проведения отсеивающего эксперимента 65

3.3.3 Методика проведения планируемого многофакторного эксперимента

3.3.4 Методика определения конструктивных и технологических параметров гребнеобразователя

3.3.5 Методика определения тягового сопротивления гребне- 71

63

67 69

77 77 79

84

образователя

3.4Методика проведения полевых испытаний 71

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 4. ¡Результаты отсеивающего эксперимента 77

4.2Влияние конструктивных и технологических параметров греб-

необразователя на образование гребня 4.3Влияние технологических параметров гребнеобразователя на тяговое сопротивление

4.4 Сравнение теоретических и экспериментальных исследований 86

4.5 Результаты проведения полевых испытаний 90

4.5.1 Результаты сравнительных полевых испытаний 90

4.5.2 Агротехническая оценка машины 96

4.5.3 Энергетическая оценка машины 97 ГЛАВА 5ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 99

5.1 Экономическая эффективность применения работы устройства для формирования гребней при возделывании кукурузы 99

5.2 Результаты внедрения 104 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 106 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 108 ПРИЛОЖЕНИЯ 121

ВВЕДЕНИЕ

Рост производства кормов и другой продукции на базе зональных научно-обоснованных систем ведения хозяйства возможен при рациональном использовании влаги в засушливых условиях.

Низкое качество обработки почвы ведёт к формированию гребнисто-сти, что увеличивает площадь её контакта с воздухом более чем на 15%.. Это приводит к повышению энергозатрат на выполнение технологических операций, снижает урожайность пропашных культур на 35 - 40% [41, 70, 80, 83, 88].

Важнейшими требованиями к перспективной почвообрабатывающей технике является снижение энергоемкости технологических процессов, совмещение технологических операций, что реализуется при создании новой техники на основе принципов блочномодульности, комбинированности и универсальности и её адаптивности к конкретным почвенно-климатическим условиям [66].

Невосполнимые биологические потери урожая происходят в основном в результате несоблюдения агротехнических приемов по борьбе с сорняками в посевах, особенно пропашных культур.

Для многих хозяйств гербицидная прополка посевов практически не возможна из-за дорогостоящих препаратов. Поэтому и зарастают посевы кукурузы.

Наука и практика показывают, что отрицательное последствие периодически повторяющихся засух можно снизить внедрением почвозащитной технологии при возделывании пропашных культур.

Из арсенала накопленных сегодня знаний и установленных закономерностей Западно-Сибирской наукой, ясно, что применяемая в хозяйствах технология возделывания пропашных культур с помощью гербицидов сдерживает дальнейший рост продуктивности пашни.

Поэтому поиск новых технологических приемов и средств их механизации при возделывании пропашных культур позволяющих с минимумом затрат производить продукцию является актуальной работой. Тема данной диссертационной работы входит в перечень Министерства сельского хозяйства Омской области.

Кукуруза — одна из самых ценных сельскохозяйственных культур в мире по своим кормовым и продуктивным качествам. Однако в последнее время учеными и практиками в средствах массовой информации ведутся споры о необходимости ее выращивания из-за высокой себестоимости по сравнению с себестоимостью производства многолетних бобовых и злаковых трав. Опыт последних десятилетий показывает, что необходимо искать золотую середину, то есть травы и кукуруза должны не исключать, а дополнять друг друга.

При выращивании кукурузы на зерно и силос нужен комплексный подход: качественные семена, подготовка почвы под сев, проведение сева сеялками точного высева, содержание в чистоте от сорняков почвы (качественные препараты и опрыскиватели), качественная уборка кукурузы на зерно и силос с применением современных комбайнов. Только при таком подходе можно рассчитывать на экономическую эффективность при производстве кукурузы.

Остановимся подробнее на самом важном аспекте технологического цикла выращивания кукурузы, как на зерно, так и на силос. Выращивание кукурузы не возможно без эффективной борьбы с сорняками.

Из-за позднего смыкания ее рядов сорняки растут как в рядках, так и в междурядьях. Чувствительность кукурузы к сорнякам и ее конкурентоспособность не во всех фазах развития одинаковы. В связи с этими в разных фазах вегетации борьбу с сорняками кукурузы следует проводить дифференцировано.

До фазы второго-третьего настоящих листьев она малочувствительна к сорнякам. От этой фазы до появления восьмого-десятого листа засоренность

может быть причиной резкого снижения урожая. В этот период (20.. .30 дней) посевы кукурузы должны быть свободными от сорняков.

Первую механическую обработку проводят, когда кукуруза находится в фазе двух-трех листов, а однолетние и многолетние и двудольные сорняки достигают стадии малой розетки; однодольные - фазы одного двух настоящих листьев.

Вторую культивацию междурядий проводят, когда кукуруза вступила в фазу шести-восьми листьев.

Если планируется выращивание кукурузы без применения почвенных гербицидов, то для уничтожения сорняков проводят боронование до всходов; боронование всходов; обработку гербицидами в фазу 3-5 листьев и культивацию. Но нужно иметь ввиду, что при такой обработке, идет сильное уплотнение почвы ходовыми системами машин и разрушение структуры, а также накопления гербицидов не только в почве, но и в самих растениях[56].

Предлагаемая технология позволяет проводить одну культивацию, вместо 2-3 как по общепринятой технологии, то есть позволяет сократить расходы на ГСМ до 20% и другие расходные материалы, к которым относится и трудоемкость процесса. Технология основана на уничтожении сорных растений в рядках кукурузы. Рабочие органы экспериментального культиватора в отличии от серийных, например КРН - 5,6 имеют отвалы на концах лапы, которые при обработке между рядками кукурузы еще образуют небольшой вал над рядком кукурузы. Так как у кукурузы энергия роста больше в 2-3 раза чем у семян сорняков, то она способна преодолеть слой, образовавшийся над ней, и продолжить рост, но уже без сорняков.

Предложенная нами технология возделывания кукурузы актуальна, она исключает использование гербицидов, что в свою очередь благоприятно влияет на окружающую флору и фауну, а также на качество зерна и силоса, так как в нем не накапливаются токсичные вещества. Кроме того, снижаются трудозатраты на единицу продукции на 15-20%.

На основе проведённого анализа предыдущих исследований и существующих технических решений сформулирована цель исследований - снижение засорённости посевов кукурузы за счёт угнетения сорной растительности путем применения комбинированного рабочего органа культиваторно-отвального типа при междурядной обработке.

Объект исследований.

Технологический процесс междурядной обработки посевов кукурузы, с применением рабочего органа культиваторно-отвального типа.

Предмет исследований.

Закономерности взаимодействия почвы с рабочими поверхностями рабочего органа культиваторно-отвального типа.

Научная гипотеза.

Применение комбинированного рабочего органа культиваторно-отвального типа для обработки междурядий кукурузы позволит повысить урожайность за счёт уничтожения сорной растительности.

Научная новизна.

Закономерности и зависимости, описывающие движение почвы по рабочим поверхностям комбинированного рабочего органа культиваторно -отвального типа.

Регрессионные модели процесса гребнеобразования позволяющие прогнозировать удельный объём почвы, перемещаемой комбинированным рабочим органом, в зависимости от параметров и режимов его работы.

Рациональные конструктивные параметры и режимы работы применяемого комбинированного рабочего органа культиваторно - отвального типа, обеспечивающие уничтожение сорной растительности.

Техническая новизна подтверждена патентом РФ № 93006. [Приложение 1]

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

Обосновать параметры почвообрабатывающего рабочего органа для обработки междурядий посевов кукурузы обеспечивающего угнетение сорной растительности;

Выявить закономерности процесса формирования гребня в зависимости от параметров и режимов работы рабочего органа культиваторно-отвального типа;

Определить качественные показатели работы рабочего органа рабочего органа для обработки междурядий посевов кукурузы и дать экономическую оценку эффективности его применения.

На защиту выносятся.

Конструктивно-технологическая схема работы гребнеобразователя культиваторно-отвального типа для междурядной обработки кукурузы и угнетения сорной растительности.

Выявленные закономерности процесса подрезания и передвижения почвы от середины междурядий, к периферии.

Регрессионные модели процесса гребнеобразования

Рациональные конструктивные параметры рабочего органа культиваторно-отвального типа при обработке междурядий кукурузы.

Результаты лабораторно-полевых исследований с использованием рабочего органа культиваторно - отвального типа.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Особенности агроклиматических условий

Степь и южная лесостепь Омской области расположены на Ишим-Иртышском водоразделе. Для рельефа характерны весьма плоские увалы, разделенные широкими ложбинами. Площадь полей с уклоном до 1 ° составляет 64,2% и более 30% - с уклоном до 3° [7]. Почвенный покров представлен на 80% черноземами обыкновенными тяжелого гранулометрического состава, а часть земель, прилегающих к реке Иртыш - легкого гранулометрического состава. Эти почвы обладают пониженными противоэрозионными свойствами. Солонцовые черноземы занимают до 20% общей площади. В целом, земледелие в степи и южной лесостепи ведется на пашне, предрасположенной к эрозии, вызываемой стоком талых вод и ветровой дефляцией почв в условиях недостаточного увлажнения.

Распаханность территории варьирует от 85 до 95%. Такое массовое вовлечение почв в обработку повлекло развитие эрозии. Эродированность пашни составляет 53,5%, поэтому сегодня особое внимание уделяется вопросу сохранения плодородия почвы [70]. Для зоны характерна высокая ветровая активность, число дней в году со скоростью ветра 15 м/с составляет 30...60.

Интенсивность эрозионных процессов определяется сложным сочетанием природно-хозяйственных факторов, среди которых особое значение имеет климат.

Климат формируется под влиянием географических и климатических особенностей азиатского материка. Приток холодных арктических масс воздуха и сухих, теплых с территории Казахстана обуславливает резкую конти-нентальность и неустойчивость погодных явлений.

Для температурного режима характерна суровая продолжительная зима, средняя температура в январе минус 19...20°С. Устойчивый снежный покров образуется в начале ноября и сходит в конце первой декады апреля. Вы-

сота его увеличивается постепенно, достигая 20...30 сантиметров лишь в марте. Медленное нарастание снежного покрова и неравномерность залегания обуславливает промерзание почв на глубину 190-250 сантиметров. Средняя продолжительность залегания снежного покрова 150... 160 дней, это оказывает влияние на энергетический (с поверхности отражается 80% солнечной радиации) и водный баланс почвы. Лето короткое и жаркое. Средняя продолжительность безморозного периода 122 дня. Сумма положительных температур выше +Ю°С составляет 2000...2100°. Температура воздуха в годы исследований за вегетационный период не отличается от среднемноголетних данных.

Весна сухая, ветреная. В начале апреля температура воздуха проходит через 0°С, начинается разрушение снежного покрова и сход к середине месяца. Средняя дата прекращения заморозков 17...25 мая.

Осень ранняя, дождливая. Первые заморозки наступают в начале сентября. В конце октября среднесуточная температура переходит через 0°С и появляется снежный покров.

Основной особенностью лесостепного района является недостаточность атмосферных осадков при высокой испаряемости, которая более, чем в 1,5 раза превышает их количество. Среднегодовое количество осадков колеблется от 250 до 310 мм. Большая их часть 55...250 мм (при норме 146 мм) выпадает в летнее время, осенью 10-50...60 мм. Твердые осадки составляют 2530%. Доля их в формировании урожая составляет 50% [65]. В 2002-2003 годах отмечено превышение среднемноголетних данных в июле и августе на 20 и 40 миллиметров соответственно.

Весной и в начале лета отмечено отсутствие дождей и нередкие суховеи. На этот период приходятся особенно большие потери влаги, которые составляют от схода снега до посева 70...80 мм [81, 157]. Поэтому, все агротехнические мероприятия должны быть направлены на накопление и сбережение влаги в почве, как к весеннему периоду, так и на весь вегетационный период.

Наблюдениями отмечено, что поле, обработанное плугом с отвалом, в отдельные дни теряет влаги в 2 раза больше, чем при плоскорезной обработке [60].

С учетом особенностей агроклиматических условий в южной лесостепной и степной зонах Западной Сибири сформировалась зональная технология возделывания сельскохозяйственных культур, основанная на противоэрози-онной плоскорезной обработке почвы с применением комбинированных агрегатов и орудий [18, 47, 48].

1.2 Обзор элементов технологии для междурядной обработки почвы и защиты растений от сорняков при возделывании

пропашных культур.

Наряду с рядом других факторов, отрицательно влияющих на урожайность кукурузы, особое значение имеет засоренность посевов. Сорняки, произрастая вместе с культурными растениями, наносят огромный вред сельскохозяйственному производству. По данным американских ученых У.К. Шоу и Л.Л. Дженсена (1977), несмотря на применение лучших технологий борьбы с сорной растительностью, выход сельскохозяйственной продукции ежегодно сокращается на 10% исключительно за счет вреда от сорняков. Особенно опасны они для пропашных культур, в том числе для кукурузы, которая в начальный период вегетации растет медленно, и большая часть междурядий длительное время остается открытой, что создает благоприятные условия для произрастания сорной растительности.

Потери урожая кукурузы достигают 50%, если сорняки не уничтожались в первые 30 дней вегетации. В условиях Западной Сибири критический период для этой культуры еще длиннее — 45-55 дней.

Высокая вредоносность сорных растений обусловлена, с одной стороны, их огромной семенной продуктивностью и устойчивостью к неблагопри-

ятным факторам внешней среды, что ведет к накоплению в почве значительных запасов семян.

С другой стороны, проросшие семена сорняков и вегетирующие растения вступают в напряженную межвидовую борьбу с культурными растениями за многие жизненно важные факторы и при массовом размножении способны полностью уничтожить �