автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии щелевания почвы в условиях Республики Дагестан с использованием рабочего органа автоколебательного действия

На правах рукописи

Сулейманов Сулейман Абдулвахидович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЩЕЛЕВАНИЯ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ ДАГЕСТАН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАБОЧЕГО ОРГАНА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.20.01 -Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2004

Работа выполнена в Дагестанской государственной сельскохозяйственной академии.

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент Плещков Евгений Николаевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Слюсаренко Владимир Васильевич Кандидат технических наук Романов Александр Сергеевич

Ведущая организация:

Дагестанский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.

Защита диссертации состоится в 12_ часов на заседании

диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд.№325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Волосевич Н.П.

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей отраслью сельскохозяйственного производства Дагестана является животноводство. Более половины населения республики работают в этом направлении. Однако нерациональное использование земельных ресурсов привело к недостатку кормовой базы и снижению урожая сельскохозяйственных культур.

Данная проблема усугубляется и природно-климатическими условиями, а именно сложный рельеф местности с многочисленными горами и частыми ветрами. При этом эрозионно опасный ветер дует на протяжении 120 дней в году, в результате за год с одного гектара плодородной почвы выдувается около 24 т пыли. Так же необходимо отметить и огромный смыв плодородного слоя почвы в результате снеготаяния. Все это приводит к снижению плодородия почвы и как следствие снижению урожая сельскохозяйственных культур, что в современных экономических условиях приобретает огромное значение. Следовательно, зашита почв от эрозии - одна из острейших проблем земледелия республики Дагестан.

Одним из основных агротехнических приемов защиты земель от ветровой и водной эрозии, а так же повышения урожая сельскохозяйственных культур является щелевание почвы. Эффективность щелевания состоит в повышении водопроницаемости и, как следствие, увеличении водоаккумули-руюшей способности почвы в период дождей и весеннего снеготаяния. В результате происходит лучшее перераспределение влаги в почвенном профиле, повышается отдача от удобрений и улучшается экологическая ситуация: Все это способствует увеличению урожая сельскохозяйственных культур, например, люцерны до 20-30 %.

В настоящее время используются щелеватели с пассивным рабочим органом. Однако данные щелеватели обладают существенным недостатком -большим тяговым сопротивлением. В современных экономических условиях, когда встает вопрос об экономии топливо-энергетических ресурсов недостаток щелевателей с пассивным рабочим орган о ч и ипиОцу АУ 1_(ЙУ Ш'|венно 1 вое значение.

БИБЛИОТЕКА 1 сптр%рг аЬя] 09 ?0ву»жт/

В связи с этим необходимо создание новых рабочих органов щелевате-лей с высокой производительностью, меньшей энергоемкостью и улучшенными агротехническими показателями.

Цель работы. Повышение эффективности технологического процесса щелевания путем совершенствования технологии и конструкции рабочего органа автоколебательного действия.

Объект исследования - процесс взаимодействия рабочего органа щеле-вателя с почвой.

Методика исследований предусматривала теоретическое обоснование конструкции и параметров рабочего органа щелереза работающего в режиме автоколебаний.

Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, законов и методов классической механики и математического анализа. С целью проверки достоверности основных положений теории проводились экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях с применением современных средств измерения и обработки полученных результатов. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов тензометрирования с последующей обработкой результатов при помощи законов математической статистики с применением ЭВМ

Научная новизна заключается в разработке нового рабочего органа автоколебательного действия при щелевании почвы. Обоснованы рациональные параметры и режимы функционирования рабочего органа, дана сравнительная оценка энергоемкости и качества щелевания почвы новым рабочим органом и серийным.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследования

На основании исследований разработана новая конструктивная схема рабочего органа щелереза автоколебательного действия, а также получены аналитические уравнения для расчета конструктивно-кинематических его параметров.

Результаты-теорегаческих и экспериментальных исследований могут быть использованы научно-исследовательскими институтами, конструктор-

скими бюро и машиностроительными заводами при разработке почвообрабатывающих машин. Производственный образец рабочего органа щелереза автоколебательного действия испытан на полях СПК «Дружба» Казбековского района республики Дагестан и на полях КФХ «Лавина» и «Эксперимент» Питерского района Саратовской области.

Апробация. Результаты исследований по анной теме ежегодно докладывались в период с 2001 по 2003 гг. на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова», на международной научно-практической конференции (Пенза, 2004), на расширенном заседании кафедры "Теоретическая механика и ТММ" в 2004 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 5 работах, в том числе 3 статьи депонированы в ВИНИТИ, 1 в сборнике научных трудов, в 1 информационном листке. Общий объем публикаций составляет 3,5 п.л., из которых 2,8 п.л. принадлежит лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 144 страницах текста, содержит 11 таблиц, 51 рисунок, приложения (документы о проверке и внедрении результатов исследования). Список литературы включает 104 наименований, в том числе 5 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во "Введении" обоснована актуальность выполненной работы и изложены основные научные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса, цель и задачи исследования" дан анализ почвозащитных агротехнологий применяемых для борьбы с вод-вой и ветровой эрозией в республики Дагестан.

Изучение литературных материалов по проведению почвозащитных агротехнологий доказало, что наибольший эффект достигается путем щеле-вания почвы поперек склона при различной его крутизне. В настоящее время

наибольшее широкое распространение получили щелеватели пассивного действия, как наиболее надежные, универсальные машины. Однако их применение часто сдерживается за счет их высокого тягового сопротивления, особенно на тяжелых почвах.

Изучая конструкции щелерезов выявлено, что все направления и модернизации существующих рабочих органов направлены на изыскание новых конструкционных материалов, форм, геометрических параметров рабочих органов без дополнительного привода и активизирование рабочего процесса шелевания с использованием различного вида и типа действия вибраторов. Но при использовании вибраторов эффективная скорость движения машин ограничивается до 0,3 м/с, следовательно, производительность агрегатов мала по сравнению с щелевателями пассивного действия.

Проведенный анализ работ по исследованию процесса рыхления почвы показывает, что скорость перемещения рабочего органа сильно влияет на его сопротивление рыхлению. Рассмотренные аналитические зависимости динамики процесса взаимодействия рабочего органа почвообрабатывающей машины с почвой не в полной мере отражают данный процесс, так как не учитывают, что рыхление почвы - колебательный процесс.

В связи с этим активизация процесса шелевания почвы возможна на основе использования динамики взаимодействия упругозакрепленного щелере-за с почвой. Возникающие при резании почвы автоколебательные движения подвижной части режущего органа могут способствовать снижению тягового сопротивления и повышению качества прорезаемой щели.

В соответствии с поставленной целью диссертации и на основании анализа литературных материалов определены следующие задачи:

1. Разработать конструкцию щелевателя с рабочим органом автоколебательного действия.

2. Теоретически определить геометрические параметры рабочего органа и силовые характеристики взаимодействия рабочего органа с почвой с наилучшими тяговыми показателями. Определить характеристики колебания в процессе щелевания почвы.

3. Выполнить лабораторно-стендовые исследования и провести производственные испытания.

4. Определить технико-экономическую эффективность применения ще-левателя с рабочими органами автсколебательного действия.

Во второй главе "Теоретические исследования щелерезного органа" рассматриваются вопросы процесса взаимодействия щелерезного рабочего органа с почвой.

Многие ученые, а именно Горячкин В.П., Ветров Ю.А., Кузнецов Ю.А., Домбровский Н.Г., Зеленин А.Н. утверждают, что с увеличением скорости резания почвы происходит резкое возрастание усилия резанию. При резании почвы щелерезом энергия расходуется на деформирование отделяемого слоя и примыкающей к нему части, а также на преодоление сил инерции отделившихся кусков и частиц. Эти два процесса протекают взаимосвязано друг с другом. Исходя из этого силу резания при скорости условно можно представить как результирующую двух составляющих:

где Р - сила затрачиваемая на деформирование отделяемого слоя почвы (сила резания), Н; Р^,,, - дополнительная сила для сообщения движения отделяющимся частицам почвы,

При этом силу, необходимую для деформирования отделяемого слоя почвы определим:

где Ро - сила резания при скорости, близкой к нулю, определяемая из условий предельного равновесия почвы, - сила, которой учитывается действие

физических факторов скорости резания, Н.

В связи с этим на основе принципа независимости действия сил напряженное состояние почвы при резании можно характеризовать выражением:

где - предельное сопротивление почвы сдвигу, - предельное каса-

тельное напряжение при скорости резания, близкой к нулю, - при-

ращение касательного напряжения при увеличении скорости резания, МПа.

Р,=Р+Р,

(1)

(2)

т„=т„+Дт,

(3)

Поскольку почвы имеют трехфазное строение, деформации их связаны с вытеснением воды из пор, а также с вытеснением и сжатием газовой фазы, поэтому сопротивление деформированию должно зависеть от скорости деформации определяемой по формуле:

(4)

д ап(8+е)'

где V - скорость резания, м/с; 5 - угол резания, град; 9 - угол между траекторией долота и направлением смещения элементов почвы по поверхности сдвига, град.

Принимая, что сила резанию пропорциональна сопротивлению сдвигу получим силу, необходимую для образования стружки:

Р=ТТ1уРо.

Шу=1+Уд/Ур.

(5)

(6)

Подставляя значение коэффициента (6) получим конечную формулу влияния скорости деформирования на усилие резанию с учетом физико-механических свойств почвы:

I

(7)

где - коэффициент относительной поперечной деформации, аналогичный коэффициенту Пуассона; Е - модуль упругости почвы (динамический), МПа; а - напряжение сжатия, МПа; Уое - плотность почвы, кг/м3. Скорость резания определим по формуле:

|5соз6

у„ =

Ро + Ъ

ср

51п(8+е)^

'8Ш5

Ру Ро+УыЛ

ср

БтбсозЭ^

(МЦ

вт

БШ1

(5+е)

(8)

Т-> 2

где - площадь сечения среза, м .

Для доказательства возможности создания рабочего органа работающего в автоколебательном режиме докажем, что резание почвы - колебательный процесс. Для этого представим процесс резания почвы с помощью следующей расчетной схемы, рис. 1.

Рабочий орган идеализируется как система, состоящая из приведенной массы m и упругого звена, имеющего приведенную жесткость С,. Система приводится в действие некоторой силой Р, которая изменяется так. что точка М ее приложения будет все время двигаться с постоянной скоростью v.

Рис. 1. Схема процесса резания почвы.

Уравнения движения точки М приложения силы Р и массы m можно

записать в виде:

(9)

где С1и С2 — соответственно жесткость первой и второй пружины, Н/мм; x1 и х2 - координаты точки М и массы т в направлении резания, мм; m - масса почвы подвергающаяся смятию рабочим органом, кг.

В тоже время путь пройденный точкой М можно определить как произведение скорости на время

х,=\*. (10)

Подставив его в формулу (9), получим уравнение движение точки М:

тс12х7 С] +С2 С.

(11)

ш

т

Общее решение этого уравнения ищем в виде

. С.+С, „ /С.+С,

X, =А51П ,/—--И-В««,/—!-М +

(12)

ш V ш

где А, В, D - коэффициенты, t - время, с.

При начальных условиях t=0 будут х2=0; X2=v, скорость движения-массы т на этапе внедрения в почву

где со

(13)

частота колебаний системы.

Максимальное значение силы резания и скорости резания определим по формулам:

Р=Я+уС2о)т/(С|+С2) или Р=11+уС2/<», (14)

Х2=УС,/(С|+С2), (15)

где Б,- сопротивление почвы резанию, Н.

После этого начинается второй этап движения режущего инструмента. Сопротивление почвы резанию падает до нуля, рис. 2. Масса га начинает взаимодействовать с новым элементом почвы, имеющим жесткость С2- При этом дифференциальное уравнение движения массы описывается уравнением:

(16)

где Д| - начальная деформация упругого звена на первом этапе движения, мм.

Рис. 2. Идеализированная зависимость сопротивления почвы от пути резания

Его общее решение ищем в виде

х^АзтйК+ВсозойЧ^+Е,, (17)

где Е1 - коэффициент.

При начальных условиях 1=0; х2=0; Х|=Д| определим коэффициенты уравнения (17)

А=0; В =--= Е,

С,+С2 С4+С2 С,+С2

Скорость движения массы m на втором этапе

Максимальная сила резания на втором этапе движения Р=Я+С,Д|/ш. (20)

Рассматривая последнее уравнение необходимо отметить, что максимальное значение силы на втором этапе так же как и на первом линейно зависит от скорости, а скорость в конце второго этапа равна скорости в конце первого этапа из этого следует вывод - резание почвы колебательный процесс с периодом колебаний:

Т=2го'ш. (21)

Из теории колебаний известно, что к автоколебательным относятся системы характеризующиеся наличием следующих основных составных частей: постоянного источника энергии; колебательной системы; устройства, регулирующего поступление энергии в колебательную систему из источника энергии; цепи обратной связи между колебательной системой и регулирующим устройством.

Применительно к машинам и установкам для разрушения почв, работающим способом резания, роль источника энергии выполняет тягач и пружина. Регулировку подачи энергии в колебательную систему осуществляет процесс резания. Воздействие колебательной системы на почву определяет обратную связь, типичную для автоколебательных систем.

Мы полностью доказали возможность создания рабочих органов почвообрабатывающих машин работающих в автоколебательном режиме. Однако необходимо определить геометрические параметры рабочего органа. Так как глубина обработки почв равна 45 см, то ширину щелереза определим по формуле:

ВгЮу&рЧУр, (22)

где R - минимальное усилие резанию, Н; у„ - удельный вес почвы Н/м3; hKp -критическая глубина рыхления, м; v, ^ - соответственно скорость движения щелереза и смещения элементов почвы по поверхности сдвига, м/с.

Для того, что бы щелерез работал в автоколебательном режиме на долоте одним концом закрепляют канат, а другой конец каната закрепляют на раме через пружинный элемент. Тогда в процессе заглубления щелевателя на канат будет действовать заглубляющий момент который будет осуществлять натяжение пружины.

Рассмотрим данную систему в состоянии равновесия (рис: 3) при этом примем допущение, что криволинейное искривление каната рассмотрим в виде треугольника ДОАВ.' Момент будет действовать на расстоянии ОВ определяемым по формуле:

ОВ=г= СоАСова'+СдвСОБР', (23)

где - длина сторон треугольника - углы при соот-

ветствующих сторонах треугольника ДОАВ, град.

Рис. 3. Схема для определения силы сжатия пружины.

Искомая равнодействующая по осям координат сила сжатия пружины определится по формуле:

(24)

где |1=Соа/Сдв; Мп - заглубляющий момент, Нм; И4 - сила резания канатом, Н; 6Щ - угол резания, град.

Амплитуда колебаний каната определится как

(25)

где с — жесткость пружины, Н/мм; ?у — возмущающая сила, Н; V) и у^,, - соответственно, скорости щелереза и каната, м/с; 9-, - коэффициент затухания колебаний.

Период колебаний каната

Т = ' кан

271-743163 2Ру

О0 СУ)

(26)

где й)0 - собственная частота колебаний.

Баланс мощности машины с щелевательным рабочим органом автоколебательного действия определим по формуле

^Кро+Нпер+Ы^+Ыраз, (27)

где - мощность, затрачиваемая на перемещение рабочего органа щелере-за автоколебательного действия, - мощность, затрачиваемая на пе-

ремещение базовой машины, - мощность, затрачиваемая на преодо-

ление уклона местности, - мощность, затрачиваемая на разгон ма-

шины, кВт.

Мощность, затрачиваемая на перемещение рабочего органа щелереза автоколебательного действия определяется как произведение тягового сопротивления Иро и скорости движения и:

N„0=^. (28)

Сопротивление рабочего органа Складывается из сопротивлений резанию стойкой щелереза Ь^, его долотом Ыд и канатом Ь^:

Кр^ш+Кд+Ккан- (29)

Так как стойка щелереза относится к вертикальным элементарным профилям, то составляющая определится по формуле

= 1 ОС уя 111,35 (1 + 0,1В ш )(1 - р {х,

180"

(30)

где СУд - количество ударов ударника ДорНИИ; Ь - глубина резания, см; Вщ -ширина стойки щелереза, см; 5 - угол резания, град; Кр - коэффициент учитывающий угол заострения; ц - коэффициент, учитывающий способ резания.

Сопротивление резанию почвы долотом определим как сумму сопротивлений почвы образованию зон упругой и пластической деформации

КЛ=Я'+Д11, (31)

где Б.' - сопротивление почвы смятию, Н; ДЛ - дополнительное сопротивление, возникающее у боковых кромок долота, Н.

К, = апт1у Б'П(аД +Фп)

ДЛ = аяп¥Ь81п(ад +фпХ1 + <а>8И12ад]

Ьсоэф,, +21п—(1+ 1£рБт2ад)

^ г»

21п——1

ЬсОБф

.-"■НО

(32)

,(33)

где ст„ - предел прочности почвы, Па; т|у - коэффициент, учитывающий скорость нагружения; ад - угол между рабочей гранью щелереза и направлением движения, град; фп - угол отклонения результирующей силы сопротивления почвы от нормали — приведенный угол трения, град; Ь - длина рабочей грани фаски щелереза, - величина смятия почвы, - минимальное смятие почвы, - угол внутреннего трения почвы по почве, - ширина

долота щелереза, м; т^^ - коэффициент полноты сдвига, Т1у=0,8.

Сопротивление резанию почвы канатом определим по формуле

К^Рр^пф+япа), (34)

где Рр - сила резания канатом, Н; Гс - коэффициент трения почвы о сталь; а -угол между направлением движения и касательной, град; <р - угол между силой трения и ее горизонтальной проекцией, град.

Мощность, затрачиваемая на перемещение базовой машины, определим как:

Мпя)=Аасо8аОр/1000т|м> (35)

где Г - коэффициент сопротивления перемещению базовой машины; в - вес базовой машины, - угол уклона местности, град; - рабочая скорость, м/с; т^ - механический КПД трансмиссии базовой машины.

Мощность, затрачиваемая на преодоление уклона местности, определим по формуле:

Ку.КЫпаирЛОООт!,,,. (36)

Мощность, затрачиваемая на разгон машины, определим как:

хруЮООт),, (37)

где тбч - масса базовой машины, кг; х — коэффициент учета вращающихся масс базовой машины;] - момент инерции вращающихся масс, кгм2

В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" рассматривается общая и ряд частных методик.

В лабораторных условиях проводились исследования по определению оптимального расположения каната и его параметров, а так же скоростного режима резания почвы.

Исследования проводились в комплексе фунтового канала (рис. 4) в котором находилась почва нужного состава и состояния. Лоток канала может перемещаться на катках по направляющим вперед и назад со скоростью от 0,042 м/с до 0,2 м/с, задаваемой гидроприводом.

Сравнительные испытания серийного щелереза и щелереза работающего в автоколебательном режиме (оборудованный канатом), проводились в полевых условиях в соответствии с требованиями ОСТ 70.4.1.-80.

Щелерез работающий в режиме автоколебаний, рис. 5, включает в себя раму 1 на которой жестко установлена стойка 2 на конце которой с помощью болтов 3 закреплено долото 4. На конце долота 4 сделано отверстие для кре-

пление каната 5. Канат, обвивая зажим 6, крепится в долоте 4, На другом конце каната 5 закреплено натяжное устройство 7, которое крепится с помощью гайки 8 через седловые шайбы 9 и пружинный элемент 10 на раме ще-лереза 1. Пружинный элемент выполнен в виде набора цилиндрических пружин сжатия, чередующихся по направлению навивки. Канат на стойке закреплен с предварительным натяжением посредством гайки 8. Данная конструкция рабочего органа навешивалась на навеску трактора К-701 в соответствии с теоретическими расчетами, представленными во второй главе.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: I - портал; 2 - пульт управления; 3 - тензомост; 4 - грунтовой канал; 5 - приводная' станция; 6 - рабочий орган - культиватор.

В ходе проведения экспериментальных исследований определяли: плотность почвы (методом режущего цилиндра), ее твердость (плотномером А.Н. Ревякина), глубину обработки и урожай люцерны (метод Д.А. Доспехо-ва. Усилие сжатия пружины и частоту колебаний определяли с помощью тензометрического кольца, по периметру которого были наклеены регистрирующие датчики.

Измерения при проведении сравнительных тяговых испытаний проводились тензометрическим способом с синхронной записью измеряемых величин: крутящих моментов на полуосях трактора, частоты вращения полуосей, тягового усилия, расхода топлива, частоты вращения путеизмерительного колеса.

Рис. 5. Схема щелереза автоколебательного действия: 1 - рама; 2 - стойка; 3 - болт; 4 - долото: 5 - канат; 6 - зажим; 7 - натяжное устройство; 8 - гайка; 9 - седловая шайба; 10 - пружина.

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований и технико-экономические показатели" приведены данные, полученные в ходе лабораторно-стендовых исследований и сравнительных испытаний тракторов "Кировец".

В ходе лабораторных исследований было зафиксировано, что с увеличением глубины резания сопротивление резанию возрастает по степенной зависимости для серийной стойки в виде Рр=281,8Ш0'2879 К.2=0,98, а для. стойки оборудованной канатом Рр=278,16Ьа2743 И2=0,98. Увеличение скорости резания с 0,042 м/с до 0,2 м/с привело к возрастанию сопротивления резанию серийной стойки в горизонте 5 см на 5,5 %, 10 см - 4,4 %, 15 см -6,0 % и 20 см - 2,2 %, тогда как для стойки оборудованной канатом увеличение сопротивления резанию составило соответственно 2,7 %, 6,7 %, 7,5 % и 2,9 %.

С уменьшением угла резания с 90° до 60° происходит снижение силы резания от 1,1 до 2,5 % в зависимости от соотношения диаметра каната Д, к ширине стойки Вк, рис. 6. При увеличении угла резания с 90° до 110° происходит к увеличение силы резания с 1,4 до 3,7 % в зависимости от соотношения Дк/Вк. Как видно увеличение угла резания свыше 90° приводит к значительному росту силы резания, что крайне нежелательно. Сила резания начинает снижаться при увеличении соотношения Д/В, от 0 до 0,5 и достигает минимального значения. Дальнейшее увеличение соотношения Д/В, приводит к росту силы резания. С увеличением скорости резания сила резания увеличивается при различных жесткостях пружины. Однако увеличение жесткости пружины приводит к снижению силы резания, в частности при увеличении жесткости пружины с 10 Н/мм до 30 Н/мм привело к снижению силы резания при скорости резания 0,042 м/с до 8,1 %, 0,111 м/с до 11,1 % и 0,2 м/с до 17,5%.

Полученные лабораторные закономерности показали соответствие с полевым экспериментом: минимальная сила резания шелерезом будет достигаться при условиях диаметр каната должен быть равен 10-12 мм, жесткость пружины 90 Н/мм, угол резания 75°, скорость резания до 2 м/с, что полностью подтверждено теоретическими зависимостями.

Данные по изменению плотности почвы показали, что в слое 0-20 см, так и в слое 20-40 см плотность почвы после прохода щелевателя автоколебательного действия ниже на 4-8 %, чем после прохода серийного щелевателя, табл. 1.

Стенки щели, полученной экспериментальным щелерезом по сравнению с серийным, более прочны, долговечны и эффективнее впитывают и аккумулируют влагу по всей глубине, они меньше осыпаются, так как образуется меньшая глубина зоны образования рыхлого конуса и меньшая высота прищелевых боковых валиков стенки щели остаются более прочны.

Аналогичная тенденция прослеживается и с твердостью почвы, где так же зафиксировано снижение до 9 % по сравнению с серийным щелерезом. Так же необходимо отметить, что после прохода экспериментального щеле-реза происходит меньшее вспучивание почвы характеризуемое коэффициен-

том вертикальной деформации, который для серийного щелереза имеет значение равное 0,73, а для экспериментального составляет 0,71. Все это говорит о том, что экспериментальный щелеватель осуществляет более качественное щелевание без разрушение стерни, что позволяет повысить влажность почвы до 11 % по сравнению с серийным.

Рис. 6. Зависимость изменения силы резания культиватора оборудованного канатом от соотношения диаметра каната к ширине стойки и угла резания при скорости резания 0,2 м/с и глубине резания 20 см.

Таблица 1.

Плотность почвы (р, г/см3) после прохождения серийного и

экспериментального щелерезов

Наименование Горизонт, см Номер замера

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Контроль 0-10 1,03 1,05 1,03 0,9» 0,97 0.98 0,98 1.01 0.98 1,00

10-20 1,04 1,07 1,05 0,99 0,98 0,99 0,99 1,02 0.99 1.01

20-30 1.11 1,10 1,00 1,07 1.07 1,06 1,05 1.10 1.07 1.11

30-40 М2 1,11 1.00 1,07 1,08 1,08 1,07 1.12 1.09 1.13

Серийный ше-лерез 0-10 0.98 0,99 0.00 0,94 0,95 0,95 0.93 ООО 0 88 0.96

10-20 0.99 1,00 0.00 0,95 0,96 0.96 0.94 0.00 0.89 0,97

20-30 1.05 1,07 0.00 1,04 1,02 1,02 1.01 0.00 1.02 1.02

30-40 1,06 1,08 000 1,05 1,04 1,04 1.03 0.00 1.02 1,02

Щелерез оборудованный канатом 0-10 0,94 0,94 0,00 0,85 0,93 0,95 0.87 0,00 0,89 0,94

10-20 0,95 0,96 0.00 0,85 0,93 0,96 0,88 0.00 0,90 0,95

20-30 1,02 1.01 0,00 0.99 1,00 1,00 1.00 000 0.98 0,98

30-40 1,03 1,03 000 1.00 1,02 1.01 0.99 000 0,98 0.99

Результаты тяговых испытаний, рис. 7 и 8 полностью подтвердили теоретические предпосылки в ходе которых было установлено, что усилие резанию экспериментальным щелевателем до 10 % ниже чем у серийного, что позволило снизить расходуемую мощность и энергоемкость процесса до 5 %.

Для выявления эффективности использования щелевателя автоколебательного действия были проведены опыты по определению урожая с/х культур в частности люцерны. В ходе которых было зафиксировано, что прибавка урожая после прохода экспериментального рабочего органа составила 4,5 ц/га. При этом годовой экономический эффект составил 15457 рублей при сроке окупаемости капитальных вложений 0,08 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа почвозащитных технологий республики Дагестан видно, что необходимо проводить мероприятия по регулированию водно-воздушного режима почвы, оптимизации ее физико-механических свойств и структуры. Одним из эффективных методов решения этой задачи является щелевание почвы, применение которого сдерживается значительными расходами, связанными с большой энергоемкостью рабочего процесса. Перспективным направлением в области снижения энергоемкости и повышения качества шелевания является использование рабочих органов автоколебательного действия.

2. Анализируя процесс рыхления почвы, выведены аналитические зависимости влияния скорости движения рабочего органа на усилия резанию, а так же определена критическая скорость резания с учетом физико-механических свойств почвы.

3. Теоретическое рассмотрение модели процесса резания почвы подтвердило гипотезу - резание почвы колебательный процесс. На основании сделанного вывода разработана конструкция щелереза работающего в автоколебательном режиме.

4. На основании теоретического исследования формирования и протекания автоколебания обоснованы параметры щелереза, а именно при щеле-вании почвы на глубину Ь=45 см и ширине рабочего органа В=4 см оптимальными параметрами являются угол резания каната соотношение

диаметра канала Дк к ширине стойки щелереза Вщ Д,/Вщ=0,5; частота колебаний 6-12 Гц; амплитуда колебаний до 2,5 мм; жесткость пружины с=90 Н/мм.

5. Для подтверждения теоретических зависимостей были проведены лабораторные и полевые исследования в ходе которых было установлено, что снижение энергоемкости процесса щелевания рабочим органом автоколебательного действия составило 5,5 %, снижение плотности и твердость почвы после прохода экспериментального щелереза в горизонтах 0-20 см и 20-40 см составило 4,1 % и 8,6 %, 8,2% и 9,3 % соответственно по сравнению с серийным щелевателем. В результате улучшения качества прорезаемой шели за счет уменьшения критической глубины резания на 3,5-4 см увеличивается ее долговечность и функциональная способность. Это приводит к увеличению влагозапаса почвы до 11,5 % и как следствие повышению урожая сельскохозяйственных культур, в частности люцерны на 5-8 %.

6. Годовой экономический эффект от применения щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия при годовой загрузке 200 ч составляет 15457 руб., а срок окупаемости дополнительных капиталовложений составляет 0,08 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Сулейманов С.А., Плешков Е.Н. Полевые исследования плоскореза работающего в режиме автоколебаний. Депонирована в ВИНИТИ №353-2004,21с.

2. Сулейманов С.А., Плешков Е.Н. Формирование и протекание автоколебаний щелереза автоколебательного действия. Депонирована в ВИНИТИ №355-2004,15с.

3. Сулейманов С.А. Плешков Е.Н. Лабораторные исследования культиватора работающего в режиме автоколебаний. Депонирована в ВИНИТИ №354-2004, 14с.

4. Сулейманов С.А. Экономическая оценка эффективности использования трактора «Кировец» при щелевании почвы щелевателем автоколебательного действия // Современные проблемы развития регионального АПК: Сборник научных трудов. - Дагестанская ГСХА. - Махачкала, 2004, сЛ 22-124.

5. Плешков Е.Н., Сулейманов СА Щелерез автоколебательного действия. Информ. листок, Саратовский ЦНТИ№ 13-2004.

Подписано в печать 21.04.2004 Формат 60x84/16

Бумага писчая. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 Заказ *56

Подразделение оперативной полиграфии Саратовского ЦНТИ, 410012 г.Сратов. ул. Московская, 35

р-8 56 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.?

1.1. Почвозащитные агротехнологии в республике Дагестан.

1.2. Анализ технологий и машин для щелевания почвы.

1.3. Исследование процесса рыхления почвы.

1.3.1. Схема процесса рыхления.

1.3.2. Гипотеза о постоянстве скорости разрушения почвы.

1.4. Цель и задачи.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЩЕЛЕРЕЗНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА.

2.1. Влияние скорости движения рабочего органа щелереза на силу резания почвы. 2.2. Критическая скорость резания почв.

2.3. Динамика процесса резания почвы.

2.4. Влияние скорости резания щелерезом на сопротивление почвы.

2.5. Определение основных геометрических параметров ножа-щелереза.

2.6. Определение силы сжатия пружины.

2.7. Анализ формирования и протекания автоколебаний.

2.8. Энергоемкость процесса щелевания.

2.9. Выводы.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Лабораторно-стендовые исследования.

3.2.1. Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы культиватором.

3.2.2. Методика обработки лабораторно-стендовых данных.

3.3. Полевые исследования.

3.3.1. Объект исследования и условия проведения исследований.

3.3.2. Определение плотности и влажности почвы.

3.3.3. Определение твердости почвы.

3.3.4. Методика определения глубины обработки почвы.

3.3.5. Методика проведения тяговых испытаний трактора "Кировец" с рабочими органами автоколебательного действия.

3.3.6. Методика определения силы сжатия пружины.

3.3.7. Методика определения влияние щелевания почвы на урожая люцерны.

3.3.8. Тарировка измерительной аппаратуры.

3.3.9. Обработка данных тяговых испытаний.

3.3.10. Определение погрешности средств измерения.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ.

4.1. Результаты лабораторно-стендовых исследований.

4.2. Результаты полевых исследований.

4.2.1. Плотность и влажность почвы после прохода щелевателя и плоскореза работающих в автоколебательном режиме.

4.2.2. Твердость почвы после прохода щелевателя и плоскореза работающих в режиме автоколебаний.

4.2.3. Определение влияния щелевателя автоколебательного действия на деформацию почвы и глубину обработки.

4.2.4. Результаты тяговых и мощностных испытаний.

4.2.5. Определение влияния щелевания почвы на урожай люцерны.

4.3. Экономическая оценка эффективности использования

0 трактора "Кировец" при щелевании почвы щелевателем автоколебательного действия.

4.3.1. Методика расчета экономической эффективности использования трактора "Кировец" с щелерезом автоколебательного действия.

4.3.2. Определение экономических показателей.

4.3.3. Определение затрат на изготовление щелереза автоколебательного действия.

ВЫВОДЫ.

Важнейшей отраслью сельскохозяйственного производства Дагестана является животноводство. Однако необходимо отметить, что из-за недостаточного количества травяной массы и кормов происходит торможение в успешном развитии данной отрасли.

В республике, как показывают данные научных учреждений и опытных хозяйств [1], имеются большие возможности в укреплении кормовой базы. Во многих районах немало хозяйств, которые заботливо ухаживают за посевами зерновых и кормовых культур, применяют передовые технологии. Поля расположены как в горной, так и на равнинной местности со значительно различающимися природно-климатическими факторами. Продолжительность периода с сильными ветрами (более 15 м/с) составляет 55-60 дней, а с эрози-онноопасными (более 3-5 м/с) — 120 дней в году. С каждого гектара парующего поля в течении 13-14 месяцев выдувается 24 т почвы. Так же необходимо отметить и огромный смыв плодородного слоя почвы в результате снеготаяния. Все это приводит к снижению плодородия почвы и как следствие снижение урожая сельскохозяйственных культур, что в современных экономических условиях приобретает огромное значение.

Исходя из вышеизложенного защита почв от эрозии - одна из острейших проблем земледелия республики Дагестан.

Одним из основных агротехнических приемов защиты земель от ветровой и водной эрозии, а так же повышения урожая сельскохозяйственных культур является щелевание почвы. Эффективность щелевания состоит в повышении водопроницаемости и, как следствие, увеличении водоаккумули-рующей способности почвы в период дождей и весеннего снеготаяния. В результате происходит лучшее перераспределение влаги в почвенном профиле, повышается отдача от удобрений и улучшается экологическая ситуация. Все это способствует увеличению урожая сельскохозяйственных культур, например, люцерны до 20-30 % [1].

В настоящее время используются щелеватели с пассивным рабочим органом. Однако данные щелеватели обладают существенным недостатком -большим тяговым сопротивлением. В современных экономических условиях, когда встает вопрос об экономии топливо-энергетических ресурсов недостаток щелевателей с пассивным рабочим органом приобретает качественно новое значение.

В связи с этим необходимо создание новых рабочих органов щелевателей с высокой производительностью, меньшей энергоемкостью и улучшенными агротехническими показателями.

В настоящей работе изложены результаты исследований щелевателя автоколебательного действия, обоснованы рациональные параметры и режимы функционирования рабочего органа автоколебательного действия; дана сравнительная оценка энергоемкости и качества щелевания почвы новым рабочим органом и пассивным.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты исследований влияния скорости резания на сопротивление резанию почвенного пласта при воздействии на него щелерезного органа;

- принцип формирования колебаний щелерезного органа;

- методика расчета параметров рабочего органа щелевателя автоколебательного действия;

- энергетические и агротехнические показатели процесса щелевания почвы рабочим органом автоколебательного действия.

выводы

1. Из анализа почвозащитных технологий республики Дагестан видно, что необходимо проводить мероприятия по регулированию водно-воздушного режима почвы, оптимизации ее физико-механических свойств и структуры. Одним из эффективных методов решения этой задачи является щелевание почвы, применение, которого сдерживается значительными расходами, связанными с большой энергоемкостью рабочего процесса. Перспективным направлением в области снижения энергоемкости и повышения качества щелевания является использование рабочих органов автоколебательного действия.

2. Анализируя процесс рыхления почвы, выведены аналитические зависимости влияния скорости движения рабочего органа на усилия резанию, а так же определена критическая скорость резания с учетом физико-механических свойств почвы.

3. Теоретическое рассмотрение модели процесса резания почвы подтвердило гипотезу - резание почвы колебательный процесс. На основании сделанного вывода разработана конструкция щелереза работающего в автоколебательном режиме.

4. На основании теоретического исследования формирования и протекания автоколебания обоснованы параметры щелереза, а именно при щелевании почвы на глубину Ь=45 см и ширине рабочего органа В=4 см оптимальными параметрами являются угол резания каната 5=90°; соотношение диаметра каната Дк к ширине стойки щелереза Вщ Дк/Вщ=0,5; частота колебаний 6-12 Гц; амплитуда колебаний до 2,5 мм; жесткость пружины с=90 Н/мм.

5. Для подтверждения теоретических зависимостей были проведены лабораторные и полевые исследования в ходе которых было установлено, что снижение энергоемкости процесса щелевания рабочим органом автоколебательного действия составило 5,5 %, снижение плотности и твердость почвы после прохода экспериментального щелереза в горизонтах 0-20 см и 20-40 см составило 4,1 % и 8,6 %, 8,2% и 9,3 % соответственно по сравнению с серийным щелевателем. В результате улучшения качества прорезаемой щели за счет уменьшения критической глубины резания на 3,5-4 см увеличивается ее долговечность и функциональная способность. Это приводит к увеличению вла-гозапаса почвы до 11,5 % и как следствие повышению урожая сельскохозяйственных культур, в частности люцерны на 5-8 %.

6. Годовой экономический эффект от применения щелевателя с рабочими органами автоколебательного действия при годовой загрузке 200 ч составляет 15457 руб., а срок окупаемости дополнительных капиталовложений составляет 0,08 года.

1. А.Аджиев. Защита почв от ветровой эрозии в Северо-Западном При-каспии. / Земледелие. 2000. №6. с. 17.

2. А.Аджиев. Технология производства кормов в Дагестане. / Сб. науч. тр. ДатНИИСХ. 1982. с.72-79.

3. Кочетов И.С., Белолюбцев А.И., Чебаненко С.И. Почвозащитная роль полевых культур. / Земледелие. №3, 2000, с. 16-17.

4. В.В. Чиботарь. Усиление почвозащитной эффективности плоскорезной обработки. / Земледелие, №1, 1991, с.73-75.

5. Кряжков В.М., Жук А.Ф., Спирин А.П. Технические проблемы влагос-бережения в земледелии. / Земледелие №1, 1990. с.46-56.

6. Гуреев И.И. Влагосберегающая обработка почв дает хороший эффект. / Земледелие №1,2002, с. 10-11.

7. Спирин А.П. Почвозащитные агротехнологии. / Земледелие №2, 1999, с.22-23.

8. Семякин В.А., Колесник В.И. Почвенная влага при контурно-мелиоративном земледелии. / Земледелие №11-12, 1992, с. 11-12.

9. Качинский H.A. Влияние тракторной обработки на физические свойства почвы. Труды Государственного Почвенного института, отдельный оттиск из выпуска №l, М., 1927, с.32.,.32.

10. Пигулевский М.Х. Отчет по испытанию тракторов в Персиановке. Часть III. Л., 1929, 191с.

11. Маршак А.Л., Веревочкина В.А. и др. Влияние внутреннего давления колес трактора на урожай пшеницы. Труды Волгоградского молочного института. Вып. 7, Волгоград, 1963, С.385.389.

12. Королев A.B. Изменение пахотного слоя почвы под действием колес трактора. Записки Ленинградского СХИ. 1967, вып. 2, т.117, С.33.43.

13. Королев A.B., Баранов В.Ф. Создание оптимального строения пахотного слоя. // Земледелие, 1965, №12, с. 19.24.

14. Кононов A.M., Гарбар В.А. Уплотнение почвы агрегатами. // Механизация и электрификация соц. сельского хозяйства, 1973, №1, С.46.47.15