автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование уплотняющих ротационных рабочих органов с использованием методов моделирования процесса их взаимодействия с почвой

На правах рукописи

Щукин Сергей Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПЛОТНЯЮЩИХ РОТАЦИОННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОЧВОЙ

Специальность 05.20.01

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1999

Работа выполнена в Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, Н.В. Краснощекое

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Б. Д. Докин

кандидат технических наук, доцент С.П. Федоров

Ведущее предприятие -

Головное специализированное конструкторское бюро ПО «Сибсельмаш», г. Новосибирск

Защита состоится «¿(/р »а^ск-гЛ- 1999 г. в /о часов на заседании диссертационного совета К 120.32.01 при Новосибирском государственном аграрном университете.

Адрес: 630039, Новосибирск - 39, Добролюбова 160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан « » м-Ор&Пх, 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

!/.--' Р.И. Хусаинов

Общая характеристика работы

Актуальность. В технологии возделывания сельскохозяйственных культур важное место занимает подготовка почвы к посеву. Для выполнения предпосевной обработки необходимо провести основные технологические операции: крошение (рыхление), уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков. Одновременно, за один проход почвообрабатывающего орудия, выполнить несколько технологических операций способны уплотняющие ротационные рабочие органы - катки. Анализ конструкций и показателей работы уплотняющих почву ротационных рабочих органов, применяемых для выполнения предпосевной ее обработки, позволил сделать вывод, что существующие катки требуют больших энергетических затрат и не удовлетворяют агротехническим требованиям: средняя высота микронеровностей до 20 мм, количество комков размером 1 ... 25 мм не менее 80%, плотность почвы в слое 0 ... 100 мм для зерновых культур 1,1 ... 1,3 г/см3. При выполнении технологических операций применяемые катки склонны к забиванию и обволакиванию растительными остатками и почвой. Причина недостатков кроется в неполной изученности процесса взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой.

Исследования взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой проводились при значительном количестве допущений, которые искажали результаты изысканий. Вопросы теории взаимодействия поверхности обода ротационных рабочих органов с почвой разрабатывались на моделях, основу которых составляла проволочная форма диска катка. Однако положение векторов нормали, бинормали, касательной и скорости, построенных в произвольно взятой точке на проволочной модели, повторяющей форму обода, и в той же самой точке, но на поверхности обода катка не совпадают как по величине так и по направлению. Предлагаемые способы разделения всей поверхности на наружную, боковую и внутреннюю, свойства которых можно было воссоздать чепез проволочную модель, повторяющую форму обода, не позволили полностью отразить процесс взаимодействия обода катка с почвой. Не раскрыты вопросы теории представления поверхности обода. Отсутствуют исследования по взаимодействию поверхностей с различной формой опорной части на почву.

В этой связи возрастает практическая значимость аналитических методов, позволяющих описать свойства поверхности обода ротационного рабочего органа, выполняющего одновременно несколько технологических операций. Актуальными остаются вопросы поиска оптимальной формы поверхности обода, способной за один проход выполнить обработку почвы, полностью отвечающую агротехническим требованиям.

Цель исследования - повысить эффективность технологического процесса предпосевной обработки почвы за счет совершенствования формы активной поверхности обода ротационных рабочих органов.

Объект исследования - процесс взаимодействия активной поверхности обода ротационных рабочих органов с частицами почвы при выполнении предпосевной обработки почвы.

Предмет исследования - выявление закономерностей изменения упругих и пластических свойств почвы в зависимости от величины и формы активной поверхности обода ротационных рабочих органов, угла атаки, величины удельной нагрузки от рамы и скорости выполнения технологической операции.

Научная новизна. В отличие от существующих для ряда случаев функций, определяющих форму диска и линию его перемещения в пространстве, и используемых для выполнения теоретического анализа процессов деформации и рыхления почвы, разработаны универсальные параметрические уравнения, выражающие при выполнении необходимых подстановок значений геометрическую форму и траекторию движения обода различных типов ротационных рабочих органов. Существующая теория взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой соответствует практике лишь в ряде случаев, поскольку свойства обода характеризует соприкасающаяся плоскость, стремящаяся к совпадению с линией, описывающей форму поверхности обода. Принципиально отличается от нее предлагаемая теория представления поверхности ротационного рабочего органа при помощи множества эквидистант, расположенных вокруг аналитически заданной универсальными параметрическими уравнениями линии, описывающей форму обода. Установлено, что воздействие ротационного рабочего органа на почву приводит к формированию на поверхности обода, расположенной внутри почвы, различных областей, в границах которых происходит скольжение, уплотнение и буксование. Для оценки их свойств предложен аналитический способ вычисления площади указанных областей и всей поверхности обода ротационного рабочего органа. В теории взаимодействия обода ротационного рабочего органа с почвой центральными являются вопросы об элементарных реакциях и деформировании почвы на участке контакта с ободом. Полагая, что от решения этих вопросов зависит степень деформации почвы, а следовательно, и эффективность работы уплотняющих ротационных рабочих органов, предложен способ аналитического расчета и геометрического построения границ областей упругой и пластической деформаций под поверхностью обода.

Практическая значимость. Разработанные универсальные параметрические уравнения, отражающие свойства различных типов форм ободьев ротационных рабочих органов, позволяют методом подстановки параметров создавать сложные конструкции, наделенные необходимыми свойствами, прогнозировать их показатели и определять перспективные пути их улучшения на стадии математического моделирования. Разработанный способ аналитического представления поверхности обода позволяет рассматривать ротационный рабочий орган как единое тело, сформированное из прутка некоторого выбранного сечения и свернутого по определенной форме, совершающее движение по зара-

нее выбранной траектории, в результате чего на поверхности обода, погруженной в почву можно представить и оценить как положение, так и величину областей уплотнения, скольжения и буксования, характеризующих процесс взаимодействия обод-почва, наблюдение за которыми при других условиях невозможно. Деформируемость почвы от воздействия на нее поверхностей, имеющих различную форму, предложено выражать через величину областей пластичности и упругости, расположенных под ободом ротационного рабочего органа, что позволяет выбрать оптимальную форму активной поверхности в зависимости от требований, диктуемых технологическим процессом, который необходимо выполнить. Обоснованы параметры и режимы работы уплотняющего ротационного рабочего органа, способного за один проход выполнить предпосевную обработку почвы, осуществив основные технологические операции: крошение, уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков.

Реализация результатов исследований. Уплотняющий ротационный рабочий орган прошел проверку ОПХ «Кочковское». Результаты исследований включены в научный отчет, представленный на соискание премии за лучшую завершенную научную разработку 1996 г. по теме «Обосновать энергосберегающие почвоохранные технологические процессы и технические средства для обработки почвы (на примере создания комбинированного орудия для поверхностной обработки почвы)». Постановлением Президиума Россельхозакадемии данная работа получила вторую премию. Результаты исследований обсуждались на заседании НТС ГСКБ ПО «Сибсельмаш» и приняты к реализации для разработки конструкций опорных ротационных рабочих органов, устанавливаемых на культиваторах и сеялках.

Апробация. Результаты исследований докладывались на сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике памяти Л.В. Конторо-вича Новосибирского государственного университета (1993) и на научно-практической конференции Новосибирского аграрного университета (1998).

Публикации По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, общим объемом 1,8 п.л.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов, библиографии и приложений. Основной материал изложен на 186 страницах машинописного текста, в котором помещено 90 иллюстраций, 163 наименования литературных источников.

На защиту выносятся:

- аналитический метод представления геометрической формы и траектории перемещения поверхности ротационных рабочих органов;

- моделирование процесса взаимодействия активной поверхности обода ротационного рабочего органа с почвой;

- моделирование процесса восприятия почвой нагрузки и поведение почвенных элементов под ободьями ротационных рабочих органов, имеющих различную геометрическую форму поверхности;

- оптимальные параметры и режимы работы уплотняющего ротационного рабочего органа, используемого для выполнения предпосевной обработки почвы с выполнением основных технологических операций: крошение, уплотнение и выравнивание поверхности.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы основные научные положения, которые выносятся на защиту, отмечена практическая значимость полученных результатов.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» проведен анализ литературных источников с целью выделения агрономических, климатических, почвенных и производственных условий, сложившихся в Западной Сибири. Обоснованы причины, оказывающие содействие производству зерновых культур, которые занимают 54% всех пахотных площадей.

К великому заблуждению, овладевшему умами значительного числа земледельцев, следует отнести стремление не только использовать, но и сохранять девственное почвенное плодородие - жизненную силу земли, позволяющую растительности выжить и плодоносить в самых экстремальных условиях. Необходимо понять, что искусственно созданные интеллектом человека культурные растения наделены уникальными свойствами по выработке наибольшего количества биомассы в единице объема и требуют новой среды обитания. В противном случае, все жизненные силы и ресурсы культурных растений будут мобилизованы на выживание, что приведет к потере многих отличительных свойств культурных растений, полученных в ходе длительной селекции. Создать необходимые оптимальные условия для культурных растений необходимо искусственно в ходе механического преобразования почвы - её обработки. По этой причине основную задачу обработки почвы предложено выполнять «...таким образом, чтобы почва поглощала наибольшее количество воды и меньше ее испаряла».

Для этого необходимо сформировать уплотненный слой из наиболее ценных почвенных агрегатов от 1 до 10 мм. Создать семенное ложе с плотностью почвы, на глубине заделки семян, в пределах 1.0-1.2 г/см3 покрытое сверху мульчей.

Анализ литературных источников свидетельствует, что при выполнении предпосевной обработки, нужно применять одновременно несколько различных, в том числе и ротационных рабочих органов, если необходимо получить требуемую многослойную структуру обработанного для посева слоя почвы. Применяемые ротационные * рабочие органы различаются между собою по

форме, величине, возможности применения под углом атаки и другими признаками. Наиболее часто для формирования многослойной структуры почвы применяют прутковые катки. Их преимущество, над остальными ротационными рабочими органами, заключается в способности за один проход сформировать многослойно обработанную структуру почвы, состоящую из: плотного слоя, семенного ложа, уплотненного слоя и слоя мульчи (рис. 1).

Применяемые прутковые катки обладают: высокой неравномерностью по глубине хода, низкой степенью крошения и выравнивания дневной поверхности почвы, недостаточно высокой степенью уплотнения семенного ложа. По этой причине предпосевную обработку выполняют за несколько проходов прутковых катков, что приводит к очаговому переуплотнению почвы от воздействия колес машинно-тракторных агрегатов.

Рис. 1 Структура обработанного для посева слоя:

а-получаемая после использования набора разреженно расставленных колец с жестким ободом;

б-получаемая после использования набора чередующихся близко расположенных колец с жестким или произвольно расположенных колец с эластичным ободом.

Исследованию процессов прикатывания и обоснованию параметров катков посвящены труды Горячкина В.П., Желиговского В.А., Скорика В.И., Новичи-хина В.А., Саакяна С.С. и др. Проведенные ими исследования показали, что нестабильность, при выполнении технологического процесса прикатывания, обусловлена несовершенством формы обода и неясностью процесса его взаимодействия с почвой.

Подвергнув исследованию проволочную модель обода катка и выявив характер воздействия отдельных точек на частицы почвы, исследователи сумели выделить некоторые участки на ободе катка, максимально уплотняющие почву. Выполнив ободья, состоящие только из участков максимально воздействующих на почву, удалось сформировать новые ротационные рабочие органы, обладающие возможностью предельно уплотнять почву. Для ободьев, состоящих только из максимально уплотняющих участков, были определены: диаметр диска 0,5 ... 0,6 м, ширина обода 0,03 м, угол погружения в почву 35 ... 42°.

К числу ободьев, имеющих на опорной части максимальное количество предельно уплотняющих участков, разными исследователями были отнесены диски катков выполненные из прутков, имеющих в сечении форму: капли, усеченного конуса, круга, V и и образных профилей и другие. В результате анализа литературных источников было установлено, что действие всевозможных, по форме сечения прутка, ободьев на почву различно. Эффективность процесса прикатывания почвы у ободьев, имеющих на опорной части максимальное количество предельно уплотняющих участков невысокая, поскольку на активной поверхности, в момент входа в почву, формируется почвенный нарост, который сводит на нет все усилия по выделению опорных участков. Процесс взаимодействия обод-почва переходит в процесс взаимодействия почвенный нарост-почва, характер которого не изучен и не был исследован до настоящего времени. Поэтому остается актуальным создание новой, наделенной необходимыми технологическими свойствами, формы поверхности обода катка, способной за один проход выполнить предпосевную обработку почвы с формированием оптимальной многослойной структуры почвы.

Поиск новых, ранее не известных форм активной поверхности, наделенных необходимыми технологическими свойствами, целесообразно, с точки зрения экономики, выполнить применив моделирование процесса взаимодействия обода катка с почвой.

Необходимость применения методов моделирования процесса взаимодействия обода с почвой обусловлена стремлением через расчеты прийти к пониманию, как влияет форма рабочей активной поверхности диска на процесс воздействия катка на почву.

Применение методов моделирования процесса взаимодействия обода катка с почвой позволяет проектировать активную поверхность путем снижения металлоемкости обода, за счет уменьшения площади участков поверхности, не принимающих участия в процессе взаимодействия обод-почва. На основе

Образующая эквндистант

Рис. 2 Образование поверхности тора с применением эквидистант.

методов моделирования процесса взаимодействия обода катка с частицами почвы возможно избрать способ выполнения направленной деформации почвы под диском катка со снижением непроизводительных энергетических затрат на выполнение процессов выравнивания и крошения поверхности почвы.

Задачи, исследований:

1. Разработать аналитический метод представления поверхности обода уплотняющего ротационного рабочего органа.

2. Оценить свойства формирующихся на поверхности обода уплотняющего ротационного органа областей уплотнения, скольжения и буксования.

3. Обосновать форму поверхности ротационного рабочего органа для уплотнения почвы, позволяющую создавать под диском катка наибольшую область пластической деформации и наименьшую область упругой деформации почвы.

4,Обосновать оптимальные параметры и режимы работы уплотняющего ротационного органа применяемого для выполнения предпосевной обработки почвы.

Во второй главе «Теоретические исследования» изложено аналитическое описание, в виде параметрических зависимостей, универсальной проволочной модели формы обода катка. Установлено, что вектор, нормали, бинормали, касательной, скорости и ускорения, построенные в произвольно взятой точке на проволочной модели поверхности, отличаются от аналогичных векторов, построенных в тех же самых точках, но по отношению к поверхности обода катка. Поэтому принято решение выполнить описание поверхности ротационных рабочих органов с использованием параметрических уравнений. В качестве ос-

новы избрана проволочная модель обода катка, названная направляющей линией. Затем, вокруг направляющей линии во всевозможных направлениях, внутри нормальной плоскости, построены всевозможные эквидистанты, вершины которых при соединении представляют образующую линию. Движение образующей линии вдоль направляющей линии формирует поверхность обода катка (рис.2).

В ходе исследования получены универсальные параметрические зависимости, позволяющие отразить проволочную модель любой сложной формы обода катка (рис. 3). На их основе получены параметрические уравнения, описывающие поверхность обода катка: Хп = PR* cos /1 + [PR0-PR\- PR2}* sin/);

[R + r*sintp)*a

• PJ?*sin/? + [PRO - PRl- PR2]*cos;

Z„ =

{l-£-)*COS J3

- PR* PRA - PR 12« PR1 - PR8 - PR9 + PRl 0'

PR 11

* cos a - РЙ13+ PK12*(-sina);

a - угол поворота катка, рад;

Р - угол атаки катка, рад;

<р - угол определяющий положение произвольно взятой точки на эквиди-станте относительно начала отсчета (О), рад;

е - коэффициент скольжения;

R - радиус катка, м;

PRO, PRl, PRl, PRl, PRA, PR5, PR6, PRl, PR&, PR9, PRl0, PRl 1, PR\2, PRtt - параметры обода, определяющие дополнительные условия его применения.

Эти уравнения описывают форму поверхности обода катка и дают возможность представить геометрический образ поверхности любой сложности. Положение векторов нормали, бинормали, касательной, скорости и ускорения в любой произвольно взятой точке на поверхности обода катка определяли дифференцированием этих параметрических уравнений, описывающих форму поверхности обода катка.

Рассчитав величину угла между векторами нормали и скорости, построенных в произвольно взятой точке на поверхности обода катка, в пределах участка ограниченного углом погружения в почву, удалось определить направление смещения почвенных частиц в результате воздействия на них обода катка. Полагали, если угол между векторами нормали и скорости меньше внешнего угла трения, то частицы почвы перемещаются вдоль направления вектора скорости, в противном случае направление их движения отклонено от нормали на величину внешнего угла трения в сторону вектора скорости. Выделив участки обода, на протяжении которых происходит перемещение частиц почвы вдоль направления вектора скорости, была получена возможность проанализировать их расположение на диске катка в зависимости от параметров и режимов его

к = о

0<К<1

К=10

К> 1000

Рис.3 Изменение формы проволочной модели в зависимости от входного параметра К в параметрических уравнениях: а - гладкий кольчатый (К=0); б - винтовой (0<К<1);

в - по виду синусоиды свернутой по образующей прямого цилиндра(К=10); г- цилиндрический сплошной(К>1000).

и

работы. Аналогично были выделены участки, в пределах которых угол между векторами скорости и нормали бьш больше внешнего угла трения, но его величина не превышала значения прямого угла. В пределах выделенных участков происходит скольжение или буксование обода. Количественную характеристику участков поверхности, различным образом воздействующих на почву, определяли понятием площадь. Для расчетов значений был разработан «метод развертки», позволивший определять величину площади поверхности, или ее участков. Развертку получали откладывая по оси абсцисс длину эквидистант, получаемых вращением вокруг точек, расположенных на направляющей линии проволочной модели, а по оси ординат откладывая длину эквидистант, образованных вращением вокруг оси кружения катка. Площадь всей поверхности или отдельных ее участков, представленных в виде «развертки», определяли численным методом Ньютона-Котеса.

Таким образом, в ходе теоретических исследований были найдены все решения, позволяющие делать оценку свойств поверхности обода, полученной при помощи параметрических уравнений и реально представляемой в виде геометрического образа.

В третьей главе «Имитационный эксперимент» реализованы в виде координатной модели поверхности, разработанные в процессе теоретических исследований методы представления обода катка. Координатная модель поверхности в качестве выходных параметров представлена массивом числовых значений координат точек, где каждое отдельное значение имеет ошибку округления, не зависящую от остальных. Оценка шума расчета выполнена по методу высоких порядков, позволяющего при сильной корреляции определять правильные значения координат точек поверхности. Представив сформированный образ поверхности в графическом виде сетью параметрических линий (рис.4) либо полутоновым изображением (рис.5), можно выносить суждение о возможности реализовать модель в металл, при существующих технологиях. Не все отображаемые координатной моделью поверхности могут быть реализованы в металле при существующих технологиях.

Последовательное применение нескольких моделей, каждая из которых решает задачи по отражению выходного параметра в виде численного результата, используемого в качестве входного параметра в следующей модели, распознано как имитационный эксперимент. Имитационная модель - основа имитационного эксперимента. Она отражает процесс взаимодействия обода катка с почвой. На частицы почвы, свойства которых определяет модель почвы, воздействуют отдельные точки поверхности обода катка. Эти точки размещены по глубине колеи, задаваемой допустимым углом погружения. Положение и траекторию движения точек поверхности обода отражает координатная модель. На первом этапе имитационного эксперимента формируются представления о наличии и величине на поверхности обода участков, различным образом влияющих на изменение структуры почвы. На втором этапе, используя метод

Рис. 5 Полутоновое изображение параметрически заданной поверхности.

Ио

Рис.6 Распределение упругой и пластической части уплотненного ядра под штампами прямоугольной и выпуклой формы по результатам смешанной задачи.

равномерного сжатия обода, происходит трансформация круглого, в нормальном сечении обода, содержащего на своей поверхности различные по влиянию на почву участки обода катка, до новой формы, состоящей преимущественно из уплотняющего участка. К числу уплотняющих участков поверхности относят такие, на протяжении которых величина угла между векторами скорости и нормали принимает значение меньшее чем величина внешнего угла трения.

Исследуя на имитационной модели способность различных форм поверхности обода предельно уплотнять почву (рис. 6), за счет образования внутри нее преимущественно пластических напряжений, была выбрана выпуклая форма сечения диска катка в виде эллипса. Подставив в координатную модель поверхности в качестве входных параметров численные значения, определяющие форму нормального сечения обода катка в виде эллипса, получаем новые координаты точек поверхности диска. Для изучения влияния поверхности обода на почву, был разработан метод определения положения векторов нормали, бинормали, касательной и скорости к поверхности обода в виде эллипса. Затем последовательно выделив на новой поверхности обода катка участки, уплотняющие почву без скольжения и буксования, сравнили их величину с подобными участками на поверхности обода, изготовленной из прутков круглой и плоской форм.

Результаты представили на диаграммах, отражающий зависимость площади уплотняющего участка от угла атаки и глубины погружения. Представленные соотношения площадей участков, различным образом воздействующих на почву, для обода с сечением в виде эллипса, позволили сделать вывод о целесообразности применения этих ободьев на глубине не более 0,06 м.

Таким образом, в ходе имитационного моделирования было установлено: наилучшим образом поверхность почвы уплотняют ободья выпуклой формы, например, предлагаемые в виде эллипса, с малой осью 0,02 м и большой осью 0,03 м. В ходе моделирования не удалось всесторонне раскрыть механизм всех изучаемых явлений. Чтобы раскрыть весь механизм, всесторонне влияющий на процесс взаимодействия обода с почвой, уместно провести эксперимент - точное воссоздание событий, факторов и условий, оказывающих влияние на изучаемый объект на всем протяжении его использования.

В четвертой главе «Методика экспериментальных исследований» цель экспериментальной работы определена как поиск, оптимальных параметров и режимов использования ротационного рабочего органа, выполняющего функции катка, в реальных условиях, возникающих при его эксплуатации.

В основу прикладных исследований положена методика планирования и проведения экспериментов. В числе отсеивающих, позволяющих точнее выбрать значимые факторы и определить схему постановки и проведения опытов, были выполнены имитационные эксперименты и ряд опытов по наблюдению за поверхностями сложной формы обода в виде синусоиды, свернутой по образующей прямого цилиндра, позволившие правильно выбрать интервалы варьи-

рования и определить предельные возможности катка при нестандартных ситуациях. К числу отсеивающих экспериментов причислены испытания по применению синтетических материалов, закрепленных на поверхности ободьев, позволившие предположить о перспективности подобных исследований и возможности получения экономического эффекта в недалеком будущем. Зачетные опыты поставлены согласно схеме для композиционного, симметричного, трехуровневого четырехфакторного эксперимента №60 на первом этапе и композиционного, симметричного, трехуровневого трехфакторного эксперимента №32 на втором этапе. В качестве откликов предложено анализировать глубину погружения обода и плотность почвы под ободом на первом этапе. На втором этапе в качестве откликов предложено анализировать степень крошения и степень выравнивания почвы. В качестве оптимизируемого параметра, было принято значение малой оси эллипса, варьируемое на трех уровнях, что даст возможность уточнить форму оптимальной выпуклой поверхности обода.

Для обработки результатов эксперимента предложена методика сравнения полученных при проведении опытов численных значений с показателями и критериями, разработанными Стьюдентом, Кохреном и Фишером. Для определения оптимальных параметров, из уравнений регрессии, предложено использовать численный метод неопределенных множителей Лагранжа.

В пятой главе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» после реализации трехуровнего симметричного плана для четырех факторов на первом этапе были получены уравнения регрессии.

Р = 1,035996+ 0,02044Х, +0,016184Х2 +0,006552Х3 + 0,018424Х„ + 0,059629 X2 -0ДЮ737Х2

+ 0,040629Х32 -0,00337Л;2 - 0,00894Х,Х2 - 0,01044Л-,Х3 +0,019563Х,Х4 +

+ 0,016188Х2Х1 -0,00556Х2X, - 0,00631Х3Х4

Я = 6,38265+ 1,988Х, +1,0416Х2 -1,0304Х3 + 2,3016Х„ + 0Д1875Х,2 -033125А"| + 0Д1875Х2

+ 0,41875Х42 -0,2125Х,Х2 + 0,21875Х,Х3 + 0.5375Х.Х, -0,21875Х2Х3 -0,025Х2Х, '

+ 0,03125X3X4

где Р - плотность почвы (г/см3);

Н - и глубина погружения обода (см); X, - угол атаки (град.); Х2 - вес на метр захвата (кг/м); X, - длина малой оси эллипса (мм); Х4 - шаг расстановки дисков (мм).

Уравнения регрессии, полученные после реализации трехуровневого, симметричного плана для трех факторов на втором этапе:

К = 72 + 6.94954Х,2 + 4,73679Х\ + 4,79879Л')2 + 5,38975*, +2,811125^ + 4,660625Х, -

- 1,99625А_|Х, + 4,35675Х,Л', +4,3215Х,Л'3;

В = 66,52 + 0,47744X,2 -1.95756Х,2 -2,94756^ + 10.36Л', +5,7375^+1,4175^, --0,15^,^ +3,47X^3 +7,415X^3

где К - крошение глыб в %;

В - выравнивание поверхности в %; Х3 - скорость движения орудия (км/час).

Оптимальные параметры ротационного рабочего органа, полученные в результате расчета уравнений регрессии по методу, неопределенных множителей Лагранжа и после нахождения ответа по методу скорейшего спуска: Угол атаки Х1 =-0,0437 ( 14,4 град. )

Вес на метр захвата Хг =-0,0506 ( 138 кг/м)

Величина сжатия обода Л^ =0,00127 ( 20,05 мм ) Расстояние между дисками ДГ4 =-0,6678 (106 мм)

На основе результатов первой серии экспериментов были получены уравнения регрессии, отображающие зависимости глубины погружения обода катка и плотности почвы от угла атаки, удельной нагрузки, расстояния между дисками и величины малой оси эллипса. В приведенных зависимостях по значимости факторов следует выделить угол атаки, удельную нагрузку и расстояние между дисками.

На основе результатов второй серии экспериментов были получены уравнения регрессии, отражающие степень крошения и выравнивания в зависимости от угла атаки, удельной нагрузки и скорости движения при выполнении технологической операции. В приведенных зависимостях по значимости факторов следует выделить угол атаки и удельную нагрузку. Таким образом, по результатам двух серий опытов удалось ранжировать факторы по значимости: наиболее значимый угол атаки, затем не менее значимый удельный вес и менее значимый скорость выполнения технологической операции.

По результатам экспериментов, направленных на изучение тягового сопротивления, создаваемого ободьями различной формы, расположив в убывающей по величине последовательности получим: большее тяговое сопротивление необходимо для катков с круглым ободом, менее энергоемки ободья с

сечением в виде эллипса и еще менее энергоемки ободья в форме усеченного конуса.

В ходе наблюдений за формированием почвенного ядра на ободьях разной формы, но равной ширины, было установлено: форма почвенного ядра зависит от угла атаки и вертикальной удельной нагрузки в большей степени и незначительно зависит от скорости движения. При анализе разных форм ободьев, применяющихся при угле атаки 15 градусов, наибольшую высоту почвенного нароста удалось обнаружить на поверхности усеченного конуса. Меньшую величину принимает нарост на ободе в форме эллипса и совсем малую, величину -на поверхности в виде круга.

На основании экспериментальных исследований было установлено, что значимыми факторами являются: угол атаки, удельная вертикальная нагрузка и скорость движения при выполнении технологической операции. Следовательно, среди комбинированных, универсальных и других типов машин преимущество имеют: в первую очередь машины, обладающие регулировкой угла атаки, во вторую очередь - способные изменять удельную нагрузку на опорные катки или колеса, в третьих машины, обладающие возможностью выполнять технологические операции при высоких скоростных режимах. Все остальные - не имеющие преимуществ, равны по потребительским свойствам. Предпочтение надо отдавать машинам с регулируемым углом атаки (крошения) и изменяемой величиной нагрузки на опорные катки или колеса. При выборе формы обода стоит отдать предпочтение выпуклым формам, способным создавать более плотное семенное ложе. Оценивая способность разных форм обода к забиванию и образованию постоянно присутствующего почвенного нароста, следует отметить, что выпуклые поверхности, в частности предлагаемая в виде эллипса, менее склонны к забиванию при эксплуатации, даже в самых тяжелых условиях. Оптимальные параметры обода катка, рассматривая в его нормальном сечении определены: форма прутка обода в сечении - эллипс с малой осью 0,02 м и большой осью 0,03 м; обод выполнен путем сгибания по образующей прямого цилиндра; диаметр обода катка 0,5 м. Оптимальные параметры и режимы работы дисковой батареи, набранной на единой оси под углом атаки к направлению движения: шаг расстановки колец 0,1 м; угол атаки 15 град.; скорость движения 2,0 м/с; удельная вертикальная нагрузка на среднесуглинистой почве 140 кг/м.

В шестой главе «Энергетический анализ» представлена энергетическая оценка технологического процесса, выделенного из технологической карты возделывания пшеницы в Новосибирской области, рекомендованной учеными СибНИИЗХима. Энергетические затраты, расчитанные на комплект орудий, дающий минимальные затраты, согласно технологической карты, составили 12111 МДж/га. В то время как предлагаемый технологический процесс способен понизить затраты до 11502 МДж/га. При урожайности в 20 ц/га энергозатраты на 1 т зерна составят 6056 МДж/т по предлагаемой СибНИИЗХимом

технологии и 5751 МДж/т при предлагаемом технологическом процессе. Расчеты, построенные на представлении энергетического показателя, по нашему мнению наиболее точны и правдоподобны. Применяемые до этого и в настоящее время методы оценки производства сельскохозяйственных культур по затратам труда, экономическим показателям (приведенные затраты, рентабельность и др.) не отражают величину потребных затрат энергии на производство продукции. Перечисленные показатели имеют существенные колебания, определяемые политикой ценообразования, проследить и предопределить которые нет возможности, поскольку отсутствует описание механизма и ранжирования факторов, определяющих тенденции развития. Настоящий период характеризуется возрастающим дефицитом энергии во всем мире и требует новых подходов к оценке механизированных технологий и технологических процессов, при которых должны учитываться энергетические затраты на производство каждого вида сельскохозяйственной продукции.

В седьмой главе «Экономическая эффективность применения экспериментального орудия» представлены результаты экономической эффективности согласно требованиям Минсельхозпрома России.

Согласно технологической схемы возделывания зерновых культур в условиях Приобского плато, предлагаемой СибНИИЗХимом для условий Новосибирской области, предпосевная обработка почвы должна выполняться двумя агрегатами: культиватором КТ-4, оборудованного зубовыми боронами, и агрегатом с катками ЗККШ-6А. Предлагаемый каток, закрепленный на культиваторе КТ-4 способен за один проход выполнить предпосевную обработку почвы. При этом тяговое сопротивление катка на 40% меньше, чем у зубовых борон.

В итоге, от применения предлагаемой технологической операции выполняемой культиватором КТ-4, оснащенным экспериментальным катком, достигается годовая экономия труда 14,4%, экономия металла 23,2%, годовая экономия прямых эксплуатационных затрат 3,8%. Годовой экономический эффект от применения составит 2612,8 рублей на одну машину. Народно-хозяйственный эффект 9501 рубль на один агрегат.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников по вопросам теории взаимодействия поверхности обода ротационных рабочих органов с почвой позволил сделать заключение, процессы деформации почвы недостаточно изучены вследствие сложной траектории движения точек и конфигурации ободьев ротационных рабочих органов.

2. Характеризовать сложности перемещения точек и конфигурации ободьев ротационных рабочих органов, предложено на основании разработанных универсальных параметрических уравнений, выражающих геометрическую

форму и траекторию движения обода различных типов ротационных рабочих органов.

3. Разработанные универсальные параметрические уравнения применены для оценки свойств, анализа конструкций и прогнозирования перспективных путей улучшения форм ободьев, предназначенных для выполнения предпосевной обработки почвы.

4. Разработана теория представления поверхности ротационного рабочего органа при помощи эквидистант, расположенных вокруг аналитически заданной универсальными параметрическими уравнениями геометрической формы обода.

5. Установлено, что воздействие ротационного рабочего органа на почву приводит к формированию на поверхности обода, расположенной внутри почвы различных областей, в границах которых происходит скольжение, уплотнение и буксование.

6. Свойства поверхности ротационных рабочих органов предложено оценивать по величине площади областей скольжения, уплотнения, буксования и всего обода, определяемой по разработанному методу развертки поверхности.

7. Исследование свойств поверхности ротационных рабочих органов применительно к теории деформирования почвы позволило выделить из многообразия форм ободьев в качестве рациональной выпуклую опорную часть, под телом которой формируется уплотненное почвенное ядро, в котором составляющая упругой части стремительно убывает за счет перехода её в пластически деформируемую часть почвы.

8. Анализируя свойства выпуклых опорных поверхностей, образуемых методом одноосного сжатия, установлено, что пассивные ротационные рабочие органы с выпуклой поверхностью обода способны за один проход по полю выполнить основные технологические операции предпосевной обработки почвы: крошение, уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков.

9. Обоснованы параметры катка, обеспечивающие наилучшие агротехнические показатели при выполнении предпосевной обработки почвы: опорная поверхность обода должна быть в форме эллипса при большой оси 0,03м, малой оси 0,02м; пруток свернут по образующей прямого цилиндра; диаметр обода 0,45 ... 0,55 м; шаг расстановки дисков 0,1 ... 0,11 м; угол атаки 10 ... 15 градусов; скорость движения 1,8 ... 2,2 м/с; уплотненное ложе на глубине 0,04 ... 0,06 м; вертикальная нагрузка 130 ... 170 кг/м.

10. Предложенная форма поверхности обода, выполненная из прутка с нормальным сечением в виде эллипса, позволяет понизить энергетические затраты при выполнении технологии возделывания яровой пшеницы на 609 МДж/га особенно в районах с засушливым климатом.

11. Применение катков с обоснованными оптимальными параметрами и режимами работы обеспечивает высокую экономическую эффективность.

Сравнение предложенных катков с зубовыми боронами и катками ЗККШ-6А показало, что применение предлагаемого катка позволяет получить годовой экономический эффект 2612,8 рублей на одну машину.

12. Ротационные рабочие органы с обоснованными параметрами обода рекомендуются для обработки почвы перед посевом в агрегате с культиватором и для обработки парового поля с целью сохранения влаги и уничтожения сорняков.

13. Секции предложенных ротационных рабочих органов используются в качестве сменных к базовой раме комбинированных универсальных и других типов машин, предназначенных для выравнивания и уплотнения почвы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А. С. 1591824 СССР, МКИ3 А01В 29/04. Прутковый каток./ Щукин С.Г. и Дремов А .И. - № 04478403/30-15; Заявлено 27.06.88; Опубл. 15.09.90, бюл. № 034, -2с.

2. Щукин С.Г. К обоснованию параметров пруткового катка // Труды ЧИ-МЭСХ, Челябинск, 1990, с.56-59

3. Щукин С.Г. К исследованию процесса взаимодействия поверхность почва. // Труды ВИМ, М., т.35, 1990.

4. Щукин С.Г. Моделирование и создание реалистических изображений процессов взаимодействия поверхность катка почва. Тезисы докладов НГАУ, Новосибирск, 1993, с.220,-221

5. Щукин С.Г. Новые возможности в исследовании катков для обработки почвы при использовании аналитического моделирования с представлением материалов в виде реалистической модели на экране компьютера. Тезисы докладов НИМ, Новосибирск, 1994, с.89-91

6. Щукин С.Г. Обоснование активной поверхности катков для обработки почвы. // Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук.-1994.-№6.-с.61-63.

7. Щукин С.Г. Проектирование новых ротационных рабочих органов для обработки почвы с возможностью наглядного изображения результатов исследований. Сборник трудов молодых ученых и аспирантов, НГАУ, 1994, с. 190-194.

8. Щукин С.Г. Реальное представление области смятия на поверхности ротационного рабочего органа. Научн.-техн. бюл./РАСХН Сибирское отделение. СибИМЭ. -Новосибирск, 1997.-Вып.1, с.25-29

9. Щукин С.Г. Поиск формы активной поверхности ротационных рабочих органов, обеспечивающей максимальную эффективность поверхностной обработки почвы. Сборник научных трудов, НГАУ, 1998, с.73-77.

;' и..' - — 'П. .-г -">

Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства

На правах рукописи Щукин Сергей Геннадьевич

УДК 631.31.02

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПЛОТНЯЮЩИХ РОТАЦИОННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОЧВОЙ

05.20.01-механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, Краснощеков Н.В.

Краснообск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ..............................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ............7

1.1. Оценка агроклиматических ресурсов Западной Сибири............7

1.2. Традиции в обработке почвы .................. 7

1.3. Рациональное состояние почвы ................. 8

1.4. Анализ конструкций и показателей работы орудий для поверхностной обработки почвы................................10

1.5. Краткий обзор и анализ сведений связанных с деформируемостью и выравниванием почвы........................................24

1.6. Обзор и анализ теоретических исследований по обоснованию формы катка для обработки почвы....................................37

1.7. Краткий обзор и анализ сведений по обоснованию предельных размеров катков с жестким ободом ..........................40

Выводы по обзору литературы............................42

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ . .........................44

2.1. Аналитические способы представления геометрической формы ротационных рабочих органов..................................44

2.2. Описание поверхности ротационного рабочего органа..............49

2.3. Вопросы взаимодействия поверхности катка с почвой..............58

3. ИМИТАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ...............65

3.1. Создание параметрической модели поверхности ротационного рабочего органа..............................................66

Выводы........................................................74

3.2. Имитационная модель взаимодействия поверхности ротационного 76 рабочего органа с почвой...................

Выводы............................................86

3.3. Процессы восприятия почвой нагрузки и поведение почвенных элементов..................................................91

Выводы........................................................101

3.4. Аналитические исследования свойств универсальной опорной поверхности ротационного рабочего органа выполненного из прутка имеющего в сечении форму эллипса............................103

Выводы по теоретическим исследованиям..........................116

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ .... 118

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований..........119

4.2. Обработка результатов экспериментов..........................130

4.3. Оценка изменения свойств почвы, в результате воздействия на нее ободьями катков, имеющих в нормальном сечении различную форму 134

5. РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................138

5.1. Результаты экспериментов по обоснованию формы обода катка ... 138

5.2. Результаты экспериментов по оценке формы ободьев в нормальном

сечении ............. ..о ......... . 151

Выводы по экспериментальным исследованиям......................162

6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ..................................163

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОРУДИЯ...............167

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ............................174

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................176

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................186

ВВЕДЕНИЕ

В технологии возделывания сельскохозяйственных культур важное место занимает подготовка почвы к посеву. Для выполнения предпосевной обработки почвы необходимо провести основные технологические операции: крошение (рыхление), уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков. Одновременно за один проход почвообрабатывающего орудия выполнить несколько технологических операций способны ротационные рабочие органы. Анализ конструкций и показателей работы уплотняющих почву ротационных рабочих органов, применяемых для выполнения предпосевной ее обработки, позволил сделать вывод, что существующие катки требуют больших энергетических затрат и не удовлетворяют агротехническим требованиям: средняя высота микронеровностей до 20 мм, количество комков размером 1 ... 25 мм не менее 80%, плотность почвы в слое 0 ... 100 мм для зерновых культур 1,1 ... 1,3 г/см3. При выполнении технологических операций применяемые катки склонны к забиванию и обволакиванию растительными остатками и почвой. Причина недостатков кроется в неполной изученности процесса взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой.

Исследования взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой проводились при значительном количестве грубых допущений, которые искажали результаты изысканий. Вопросы теории взаимодействия поверхности обода ротационных рабочих органов с почвой разрабатывались на моделях, основу которых составляла проволочная форма диска катка. Однако направления векторов нормали, бинормали, касательной и скорости, построенных в произвольно взятой точке на проволочной модели, повторяющей форму обода, и в той же самой точке, но взятой на поверхности обода катка не совпадают и их значения отличаются по величине. Предлагаемые способы разделения всей поверхности на наружную, боковую и внутреннюю, свойства которых можно было воссоздать через проволочную модель, повторяющую форму обода, не позволили полностью отразить процесс взаимодействия обода катка с почвой. Не раскрыты вопросы теории представления поверхности обода. Отсутствуют исследования по взаимодействию поверхностей с различной формой опорной части на почву.

В этой связи возрастает практическая значимость аналитических методов, позволяющих описать свойства поверхности обода ротационного рабочего органа, выполняющего одновременно несколько технологических операций. Актуальными остаются вопросы поиска оптимальной формы поверхности обода, способной за один проход выполнить обработку почвы, полностью отвечающую агротехническим требованиям.

Целью диссертационной работы является изыскание путей повышения эффективности технологического процесса предпосевной обработки почвы за счет совершенствования формы активной поверхности обода ротационных рабочих органов.

Научная гипотеза заключается в том, что эффективность технологической операции уплотнения, преобладающей в технологическом процессе предпосевной обработки почвы, можно повысить путем совершенствования выпуклой формы активной поверхности ротационного рабочего органа, обладающей способностью деформировать почву под поверхностью обода катка преимущественно до пластического состояния.

Объектом исследования является процесс взаимодействия активной поверхности обода ротационных рабочих органов с частицами почвы при выполнении предпосевной обработки почвы.

Предметом исследования является выявление закономерностей изменения упругих и пластических свойств почвы в зависимости от величины и формы активной поверхности обода ротационных рабочих органов, угла атаки, величины удельной нагрузки от рамы и скорости выполнения технологической операции.

В отличие от существующих для ряда случаев функций, определяющих форму диска и линию его перемещения в пространстве и используемых для выполнения теоретического анализа процессов деформации и рыхления почвы, разработаны универсальные параметрические уравнения, выражающие при выполнении необходимых подстановок значений геометрическую форму и траекторию движения обода различных типов ротационных рабочих органов. Существующая теория взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой соответствует практике лишь в ряде случаев, поскольку свойства обода характеризует соприкасающаяся плоскость, стремящаяся к совпадению с линией, описывающей форму поверхности обода. Принципиально отличается от нее предлагаемая теория представления поверхности ротационного рабочего органа при помощи множества эквидистант, расположенных вокруг аналитически заданной универсальными параметрическими уравнениями линии, описывающей форму обода. Установлено, что воздействие ротационного рабочего органа на почву приводит к формированию на поверхности обода, расположенной внутри почвы, различных областей, в границах которых происходит скольжение, уплотнение и буксование. Для оценки их свойств предложен аналитический способ вычисления площади указанных областей и всей поверхности обода ротационного рабочего органа. В теории взаимодействия обода ротационного рабочего органа с почвой центральными являются вопросы об элементарных реакциях и деформировании почвы на участке контакта с ободом. Полагая, что от решения этих вопросов зависит степень деформации почвы, а, следовательно, и эффективность работы уплотняющих ротационных рабочих органов, предложен способ аналитического расчета и геометрического построения границ областей упругой и пластической деформаций под поверхностью обода.

Разработанные универсальные параметрические уравнения, отражающие свойства различных типов форм ободьев ротационных рабочих органов, позволяют методом подстановки параметров создавать сложные конструкции, наде-

ленные необходимыми свойствами, прогнозировать показатели и определять перспективные пути улучшения математическим моделированием процесса взаимодействия их с почвой. Разработанный способ аналитического представления поверхности обода позволяет рассматривать ротационный рабочий орган как единое тело, сформированное из прутка некоторого выбранного сечения и свернутого по определенной форме, совершающее движение по заранее выбранной траектории, в результате чего на поверхности обода, погруженной в почву можно представить и оценить как положение, так и величину областей уплотнения, скольжения и буксования, характеризующих процесс взаимодействия обод-почва, наблюдение за которыми при других условиях невозможно. Деформируемость почвы от воздействия на нее поверхностей, имеющих различную форму, предложено выражать через величину областей пластичности и упругости, расположенных под ободом ротационного рабочего органа, что позволяет выбрать оптимальную форму активной поверхности в зависимости от требований, диктуемых технологическим процессом, который необходимо выполнить. Обоснованы параметры и режимы работы уплотняющего ротационного рабочего органа, способного за один проход выполнить предпосевную обработку почвы, осуществив основные технологические операции: крошение, уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков.

Уплотняющий ротационный рабочий орган прошел проверку ОПХ «Кочковское». Результаты исследований включены в научный отчет, представленный на соискание премии за лучшую завершенную научную разработку 1996 г. по теме «Обосновать энергосберегающие почвоохранные технологические процессы и технические средства для обработки почвы (на примере создания комбинированного орудия для поверхностной обработки почвы)». Постановлением Президиума Россельхозакадемии данная работа получила вторую премию. Результаты исследований обсуждались на заседании НТС ГСКБ ПО «Сибсельмаш» и приняты к реализации для разработки конструкций опорных ротационных рабочих органов, устанавливаемых на культиваторах и сеялках.

На защиту выносятся:

- аналитический метод представления геометрической формы и траектории перемещения поверхности ротационных рабочих органов;

- моделирование процесса взаимодействия активной поверхности обода ротационного рабочего органа с почвой;

- моделирование процесса восприятия почвой нагрузки и поведение почвенных элементов под ободьями ротационных рабочих органов, имеющих различную геометрическую форму поверхности;

- оптимальные параметры и режимы работы уплотняющего ротационного рабочего органа, используемого для выполнения предпосевной обработки почвы с выполнением основных технологических операций: крошение, уплотнение и выравнивание поверхности.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Оценка агроклиматических ресурсов Западной Сибири

Западная Сибирь включает Алтайский край, Кемеровскую, Томскую, Новосибирскую, Омскую и Тюменскую области. Основные посевные площади расположены в зоне обыкновенных и выщелоченных черноземов, встречаются контуры разных солонцов. Общая площадь пашни в Западной Сибири составляет около 1,4 миллионов гектар.

Механический состав почв: в южной части легкосуглинистые и песчаные, к северу среднесуглинистые и тяжелосуглинистые.

Наиболее характерной чертой климата Западной Сибири является засушливость. Годовое количество осадков колеблется от 250 мм на юге до 400 мм в северных районах. Предпосевные запасы влаги в почве существенно зависят от предшествующих осени и зимы, и колеблются от 140 до 340 мм. Основным источником влаги является незначительный снежный покров в 200 ... 300 мм, и летние дожди, максимум которых сдвинут к концу вегетационного периода. Грунтовые воды залегают глубоко и добыча их связана со строительством шахтных колодцев. Источниками питьевой воды являются артезианские скважины, достигающие глубины до 1000 метров.

Положительные температуры воздуха устанавливаются 15-20 апреля и сохраняются до 20 - 22 октября. Период с температурой выше 10° С продолжается 120 - 125 дней, от 14 мая до 17 сентября и считается безморозным [1,2,3,4].

Основной недостаток всех почв Западной Сибири - сухость, как следствие засушливого климата. Поэтому производство овощных и кормовых культур малоэффективно из за необходимости организации полива. Почвенно-климатические условия наиболее способствуют производству зерновых культур, которые занимают 54% всех пахотных площадей.

1.2. Традиции в обработке почвы

Из всех отраслей сельского хозяйства наиболее энергоемкой является растениеводство (50 ... 80 % энергетических затрат в сельском хозяйстве ), причем обработка почвы требует до 40% всех энергетических затрат. Выполняют обработку почвы с целью повышения плодородия.

Плодородие - жизненная сила земли, позволяющая растительности выжить и плодоносить в самых экстремальных условиях.

Естественное плодородие почвы характеризуется комплексом биологических и физических свойств, обуславливающих жизнедеятельность растительных организмов. Достигнуто оно совокупностью явлений превращения и передвижения веществ, и энергии, в верхних слоях коры выветривания, под воздействием сезонных процессов, микроорганизмов и растительности [5].

В ходе эволюции естественная растительность сумела не только приспособиться к условиям окружающей среды, но и сама "своими корнями создала подходящую для себя структуру, не нарушаемую вмешательством человека" [6]. Главным средством воздействия растениями на почву являются корневые выделения. Благодаря ним растения способны в некоторой степени регулировать реакцию почвы путём разложения сложных органических веществ в доступную форму, одновременно создавая благоприятные условия и для микроорганизмов, которые активно видоизменяют структуру и состав почвы. Образованная растительностью естественная структура почвы характеризуется ясным расчленением профиля на генетические горизонты. Верхний наиболее плодородный горизонт перегноя, в котором сосредоточены основные запасы питательных веществ в доступной для растений форме - маломощен. Основной, мощный пласт целинных земель представлен малопригодным для жизнедеятельности растений подзолом [7, 8].

Использование естественно сложившейся структуры почвы, для искусственно созданных интеллектом человека культурных растений, наделенных уникальными свойствами и возможностями, однозначно привело бы нового пользователя в угнетённое состояние. Стремление человека получить наибольшее количество биомассы в единице объема, приводит к созданию "неоптимальных биологических конструкций", когда все жизненные ресурсы нового пользователя уже мобилизованы, что приводит к снижению адаптивной способности. Если не создать благоприятные условия, то новый пользователь направит все имеющиеся силы на выживание и создание благоприятных факторов для нового почвообразователя - культурной растительности [9]. Таким образом, отсутствие оптимальной среды обитания, для искусственно выведенными человеком культурных растений, подтолкнуло к мысли о воспроизводстве такой среды искусственно. Для достижения этой цели были созданы орудия, а затем и машины, выполняющие механическое преобразование почвы - её обработку.

Основная задача механической обработки почвы - создание необходимого структурного состояния и строения пахотного слоя почвы, для протекания в нём физических, химических и биологических процессов, направленных на рост и развитие растений.

1.3. Рациональное состояние почвы

В конце прошлого столетия (1893), проводя исследования о влиянии структуры почвы на условия развития растений, основоположник отечественного поч