автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Устойчивость и стабильность работы глубокорыхлителя-щелереза на склонах, подверженных водной эрозии

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы, цель и задачи исследований.

1.1. Приемы и орудия для глубокого рыхления и щелевания почвы.

1.2. Агрономическая эффективность глубокого рыхления и щелевания почвы.

1.3. Анализ работ по исследованию устойчивости движения и выбору параметров МТА для глубокого рыхления и щелевания почвы.

1.4. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Теоретические исследования устойчивости движения машинно-тракторного агрегата с глубокорыхлителем.

2.1. Выбор расчетной модели агрегата.

2.2. Выбор систем отсчета и обобщенных координат.

2.3. Уравнение движения орудия в продольно-вертикальной плоскости.

2.3.1. Определение кинетической энергии орудия.

2.3.2. Определение потенциальной энергии орудия.

2.3.3. Определение энергии диссипации.

2.3.4. Определение обобщенных сил.

2.3.5. Дифференциальное уравнение движения орудия в продольно-вертикальной плоскости.

2.3.6. Вынужденные колебания орудия.

Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований

3.1. Программа исследований.

3.2. Методика агротехнической оценки.

3.3. Методика определения устойчивости движения орудия в продольно-вертикальной плоскости.

3.4. Объекты исследования.

3.5. Применяемые приборы и оборудование.

3.6. Методика энергетической и силовой оценки МТА.

3.7. Обработка результатов измерений.

3.8. Статистические оценки показателей качества работы МТА с глубокорыхлителем.

Глава 4. Анализ агротехнических и силовых показателей работы глубокорыхлителя-щелереза.

4.1. Условия проведения полевых опытов.

4.2. Агротехнические показатели работы глубокорыхлителя-щелереза

4.3. Силовые и энергетические показатели глубокорыхлителя.

Глава 5. Анализ устойчивости движения глубокорыхлителя в продольно-вертикальной плоскости.

5.1. Затухающие колебания глубокорыхлителя.

5.2. Вынужденные колебания глубокорыхлителя.

Глава 6. Агротехническая и экономическая эффективность применения модернизированного глубокорыхлителя.

6.1. Агротехнологическая эффективность.

6.2. Агротехническая эффективность.

6.3. Экономическая эффективность модернизированного глубокорыхлителя ГРНА-3.

Для увеличения производства продукции и повышения производительности труда в сельском хозяйстве последние годы практически повсеместно стали применять интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур, основанные на многократных проходах все более мощной и тяжелой техники. Использование таких мощных тракторов, как Т-150, Т-150К, Т-4А, Т-130, К-701 с широкозахватными машинами приводит к распылению верхнего и уплотнению нижнего слоев почвы, к развитию ветровой и водной эрозии, к повышению твердости и объемной массы почвы пахотного горизонта, снижению общей и капиллярной пористости плодородного слоя почвы. Повышение объемной массы и твердости почвы ведет к ухудшению ее аэрации, подавлению жизнедеятельности микрофлоры и в конечном результате, к снижению плодородия и недобору урожая сельскохозяйственных культур.

Во время сельскохозяйственных работ ходовые системы машинно-тракторных агрегатов (МТА) покрывают следами от 40 до 80% поверхности поля, а поворотные полосы подвергаются 8-10 кратному воздействию движителей.

Негативное влияние антропогенных факторов на плодородие почвы усиливается при применении тяжелой мобильной техники для внесения минеральных удобрений и химических средств уничтожения сорняков и вредителей сельскохозяйственных культур. Кроме того, широкое использование отвальных плугов и плоскорезов ведет к образованию так называемой «плужной подошвы» - уплотненной почвенной прослойки, которая препятствует движению влаги в нижние горизонты почвы и испарению излишков влаги. Это приводит к развитию водной эрозии на склонах, а на равнинах и в низинах - к образованию мокрых «блюдец», в которых застаиваются излишки талой и дождевой воды.

Все перечисленные негативные факторы привели к деградации плодородного слоя почвы, развитию и расширению ареала эрозионных процессов. Особенно опасна водная эрозия, которая не так заметна, как ветровая, но ежегодно талые и дождевые воды путем струйчатого размыва плодородного слоя склоновых земель наносят громадный вред сельскому хозяйству. А так как в России до 50% сельскохозяйственных угодий находятся на склонах, то проблема борьбы с водной эрозией имеет важное хозяйственное значение.

Наиболее эффективным агротехническим приемом предотвращения водной эрозии, а также для борьбы с переуплотнением пахотного и подпахотного горизонтов почвы, уничтожения «плужной подошвы» являются чизелевание, щелевание и глубокое рыхление. Особенно эффективно сплошное или полосное рыхление и щелевание на склоновых землях, когда удается перевести поверхностный сток талых и ливневых вод во внутрипочвенный и предотвратить смыв верхнего плодородного слоя почвы. Однако работа глубокорыхлительно-щелерезных агрегатов на склоновых землях изучена совершенно недостаточно ни в агрономическом, ни в техническом планах. При движении поперек склона машинно-тракторный агрегат (МТА) теряет устойчивость хода и нарушается качество работы. До настоящего времени не выявлены все факторы, влияющие на устойчивость таких агрегатов на склонах разной крутизны, не обоснованы требования к конструкциям и рабочим органам глубокорыхлителей и щелевателей. Поэтому в данной диссертации исследованы параметры и режимы работы рыхлительно-щелерезного агрегата, обеспечивающие устойчивость его движения и стабильность выполнения технологического процесса.

Изучение устойчивости движения МТА основано на принципах теории устойчивости A.M. Ляпунова и на учении об устойчивости движения сельскохозяйственных машин академика В.П. Горячкина, которое развито в работах его учеников и последователей.

Работы по оценке качественных и эксплуатационных показателей надежности выполнения технологического процесса работы МТА пока еще малочисленны. Некоторым вопросам оценки стабильности технологического процесса почвообрабатывающих МТА посвящены труды JI.E. Агеева, Ю.К. Киртбая, Ф.И. Гаврилова, Д.Н. Саакяна, А.Б. Лурье, А.И. Любимова.

Работа выполнена в отделе почвообрабатывающих и посевных машин ОАО «ВИСХОМ».

Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам отдела почвообрабатывающих и посевных машин ОАО «ВИСХОМ» и Кокшетауского Университета за помощь и содействие при проведении настоящей работы.

Основные выводы и рекомендации

1. Эффективным агротехническим приемом борьбы с водной эрозией на склоновых землях является глубокое полосное или сплошное рыхление на глубину 0,6.0,7 м.

2. Для исследования устойчивости движения глубокорыхлителя на склонах разной крутизны обоснована детерминированная модель, описывающая движение в продольно-вертикальной плоскости независимо от трактора с учетом конструктивных параметров и внешних воздействий.

3. Дифференциальное уравнение угловых колебаний глубокорыхлителя получено на основе уравнений Лагранжа второго рода, в котором потенциальная и диссипативная энергии учитывают деформационно-упругие свойства системы «металлическое колесо - почва».

4. Решение математической модели движения глубокорыхлителя на персональном компьютере с процессором Intel Pentium IV, операционной системой Microsoft Windows ХР и программным обеспечением Matlab 6.5 показало, что под действием восстанавливающих сил и сил сопротивления глубокорыхлитель совершает затухающие колебания с частотой к=28,7 с'1, периодом Г=0,218 с и декрементом затухания £>=0,835. Для принятых конструктивных и силовых параметров полное прекращение колебаний наступает через 3,0 с. Изменение крутизны склона с углом а=0. 15° практически не влияет на характер затухающих колебаний.

5. Для обеспечения заданного агротехнического допуска ±10% на установочную глубину рыхления, угол отклонения глубокорыхлителя в продольно-вертикальной плоскости не должен превышать 0,04 рад (2° 18'). Фактический угол отклонения достигает 0,2 рад (11°28'). Чтобы исключить брак по глубине рыхления, необходимо правильно выбирать соответствующие конструктивные и силовые параметры глубокорыхлителя.

6. Связь между параметрами глубокорыхлителя и коэффициентом в затухания колебаний определена из дифференциального уравнения колебаний глубокорыхлителя относительно МЦВ навески. На величину затухания колебаний наибольшее влияние оказывает расстояние 1Я от центра сопротивления (точки А) до МЦВ. Для получения глубины рыхления в пределах агродопуска необходимо регулировать высоту шарнира нижней тяги навески (точки М) на раме орудия в пределах 0,05.0,1 м, а также использовать двухточечную наладку механизма навески, при которой длина 1Я сокращается в 2.2,5 раза и, следовательно, ускоряется затухание колебаний орудия.

7. При движении глубокорыхлителя поперек или под углом к предыдущей обработке (вспашке или культивации) возникают вынужденные колебания орудия. График вынужденных колебаний представляет результат наложения гармонических свободных колебаний с собственной частотой и гармонических колебаний с частотой возмущающей силы (частотой неровностей поля). При равенстве частоты собственных и вынужденных колебаний возникает резонанс, при котором амплитуда угловых колебаний резко возрастает. Величина резонансной амплитуды пропорциональна жесткости системы «колесо - почва». Для исключения резонанса следует оснащать глубокорыхлитель пневматическими шинами вместо металлических колес. Снижение жесткости системы «колесо-почва» позволяет резко уменьшить резонансную амплитуду, повысить рабочую скорость, при которой начинаются свободные колебания, ускорить затухание колебаний.

8. Анализ показателей глубины обработки глубокорыхлителем показал, что вероятность выхода за пределы агродопуска, т.е. вероятность брака, при увеличении крутизны склона от 0° до 15° увеличивалась с 15% до 24%, число выбросов ординат функции глубины рыхления за пределы агродопуска увеличивалось вдвое (с 0,15 до 0,3), коэффициент неравномерности повышался с 0,8 до 0,9.

9. Применение корреляционного и спектрального анализа показало, что с увеличением крутизны склона резче проявляется изменчивость силовых показателей: время корреляционной связи для склонов с углом 5, 10 и 15° соответственно составило гь=4,2; 3,0 и 2,0 с. В целом силовые параметры имеют низкочастотный характер, основная доля дисперсий приходится на частоты 1,5.4,0 с"1.

10. Применение глубокорыхлителей-щелерезов на эрозионно-опасных склонах позволит в 3-4 раза снизить смыв почвы, увеличить продуктивные запасы влаги до 1,5 раз, повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 15.20%. Рекомендации по выбору параметров глубокорыхлителей-щелерезов позволят создать более совершенные орудия для противоэрозионной обработки почвы.

1. Агеев JT.E. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов. JL: Колос, 1978. - 236 с.

2. Алеев Б.А., Раимбеков К.Ж. Агротехнические способы и техника для борьбы с ветровой и водной эрозией почв. М.: Изд. «ВИСМА», 2005. - 88 с.

3. Алеев Б.А. Технология и техника для глубокого рыхления переуплотненных почв. // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2005, №2, с.7.

4. Анилович В.Я. О колебаниях колесного трактора при езде по неровностям. // Тракторы и сельхозмашины, 1961, №10, с.10-12.

5. Аристов А.Н. Исследование устойчивости навесного плуга. // Труды ЧИМЭСХ, вып. 82, Челябинск, 1966, с. 12-15.

6. Бать М.И. и др. Теоретическая механика в примерах и задачах, т. И, М.: Наука, 1966.-663 с.

7. Баутин В.Н. и др. Методические рекомендации по статистическим методам сбора, обработки и анализа экспериментальных данных при испытаниях сельскохозяйственных машин. М.: Изд. «Информагротех», 1997. -с. 135.

8. Биндлингмайер Р.В. Исследование динамики прицепного культиватора-плоскореза. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Алма-Ата, 1974. -22 с.

9. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1974. - 464 с.

10. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. -М.: Мир, 1983.-312 с.

11. Бледных В.В. Исследование динамических свойств полунавесных плугов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 1967. - 32 с.

12. Бруснев A.M., Ангилеев О.Г. Рабочий орган для вертикального мульчирования почвы //МЭСХ, 1998, №7, с. 12-13.

13. Бутенин Н.В., Лунц Я.Д., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики, т.2. -М.: Изд. МГУ, 1969, с. 219-229.

14. Василенко П.М., Бабий П.Т. Культиваторы. Киев: Изд. Укр. Академии с.-х. наук, 1961. - 152 с.

15. Василенко П.М. О методике построения математической модели машинного агрегата. // МЭССХ, 1976, №7, с. 54-56.

16. Вайнруб В.И., Догановский М.Г. Повышение эффективности использования энергонасыщенных тракторов в Нечерноземной зоне. JL: Колос, 1982.- 157 с.

17. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментальных исследований и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. - 199 с.

18. Велиев Н.Т. Исследование устойчивости движения и обоснование параметров пахотного агрегата с ротационным плугом при работе на склонах. // Дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 1981. - 310 с.

19. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Физматиздат, 1958. - 464 с.

20. Вершков А.А. Устойчивость движения широкозахватных культиваторов и обоснование их параметров к тракторам тягового класса 4-8. Дисс. канд. техн. наук. М., 1982. - 400 с.

21. Воронков М.В. Курс теоретической механики. М.: Наука, 1966, с. 435-456.

22. Глубокое рыхление и щелевание эродированных, уплотненных и временно переувлажненных почв. // Временные рекомендации. (Сост. P.JI. Турецкий, Ф.П. Цыганов и др.). Минск, 1988. - 22 с.

23. Горячкин В.П. Об устойчивости пахотных орудий. Собр. соч., т.2-М.: Колос, 1968.

24. ГОСТ 7057-81. Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний. -М., 1981.-24 с.

25. ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний. М., 1975. - 36 с.

26. ГОСТ 24055-80. Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки машин на этапе испытаний. М., 1980.

27. Гуков Я.С. Севообороты и технология обработки почвы. // Тр. Всесоюзной научно-технической конференции по современным проблемам земледельческой механики. Мелитополь, МИМСХ, 1989. - 22 с.

28. Гячев JI.B. Динамика тракторных и автомобильных агрегатов. -Ростов-на-Дону, Изд. Ростовского Университета, 1976. 190 с.

29. Гячев JI.B. Механика сельскохозяйственных машин, ч.1. Основы теории движения сельскохозяйственных машин. Барнаул, Изд. СХИ, 1985. -200 с.

30. Двали P.P. К вопросу механизации горного земледелия. Тбилиси: Изд. АН ГССР, 1964.- 142 с.

31. Заславский М.Н. Эрозия почв. М.: Мысль, 1979. - 245 с.

32. Извеков В.П. Предотвратить экологическую катастрофу. // Земледелие, 1991, №4, с. 12-14.

33. Ковда В.А. Факторы снижающие плодородие черноземов и пути их устранения. // Обзорная информация. М.: ВНИИТЭИ, 1987. - 16 с.

34. Кальбус Г.Л. Основы эксплуатации навесных систем тракторов. -Киев: Изд. Украинской академии с.-х. наук, 1962. 42 с.

35. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. М. Машиностроение, 1969. - 284 с.

36. Ким JI.X. Исследование и обоснование схем навески пахотных агрегатов. // Тр. ВИСХОМ, вып. 85, 1975. с. 47-62.

37. Кабаков И.С., Турушев М.Я. Устойчивость комбинированного агрегата. // МЭССХ, 1981, №7.

38. Лурье А.Б. Линейная модель движения сельскохозяйственного агрегата. // Записки ЛСХИ, т.220,1974, с. 20-30.

39. Лурье А.Б. Динамика регулирования навесных сельскохозяйственных агрегатов. Л.: Машиностроение, 1969. - 286 с.

40. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. Л.: Машиностроение, 1969. - 286 с.

41. Лурье А.Б. Об уравнениях движения сельскохозяйственных агрегатов. // Записки ЛСХИ, т.93,1963.

42. Лурье А.Б., Любимов А.И. Широкозахватные почвообрабатывающие агрегаты. Л.: Машиностроение, 1981. - 269 с.

43. Любимов А.И., Рахимов Р.С., Сергеев Ю.А. Уравнение движения полунавесного плуга. // Тр. ЧИМЭСХ. вып. 82. Челябинск, 1973. - 73 с.

44. Лурье А.Б. Оценка качества работы агрегатов и систем управления. // МЭССХ, 1970, №2.

45. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. М. Физматгиз, 1959.-238 с.

46. Любимов А.И. Уравнение движения полунавесного плуга с колесным трактором. //Тр. ЧИМЭСХ. Вып. 46. Челябинск, 1969, с. 144-153.

47. Малиев Х.В. и др. Об устойчивости движения прицепных почвофрез. // Тракторы и сельхозмашины, 1976, №7.

48. Мацнев М.Г., Бурченко П.Н., Кашаев Б.А. Условия устойчивости хода скоростного навесного плуга. // МЭССХ, 1971, №10, с. 10-15.

49. Макарец И.К. и др. Агротехническое обоснование новых приемов обработки почвы и машин для борьбы с водной эрозией на склонах. // Материалы НТС ВИСХОМ, вып. 25. М.: ОНТИ, 1968, с. 13-25.

50. Макарец И.К. и др. Состояние и перспективные направления развития конструкций машин для защиты почв от водной эрозии. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1980.-32 с.

51. Максимов И.И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель. // Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1996. -28 с.

52. Мухамеджанов М.В. Корневая система и урожайность хлопчатника. // Хлопководство, 1963, №5.

53. Митков АЛ., Кардашевский B.C. Статистические методы в сельхозмашиностроении. М.: Машиностроение; София:Семиздат, 1977. - 360 с.

54. Михайлина В.И. Агротехнические способы защиты почв от эрозии в США. М.: ВНИИЭСХ, 1977. - 32 с.

55. Моденов П.С. Аналитическая геометрия. -М.: Изд. МГУ, 1969, с. 219229.

56. ОСТ 70.4.1-80. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для глубокой обработки почвы. Программа и методика испытаний. М., 1981.- 154 с.

57. Особов В.И. Влияние крутизны склона на движение агрегата // МЭССХ, 1982, №5.

58. Панов А.И. Почвообрабатывающие машины для борьбы с ветровой и водной эрозией почв. // Энциклопедия «Машиностроение», т. IV-16 «Сельскохозяйственные машины и оборудование». М.: Машиностроение, 1998, с. 155-159.

59. Панов А.И. Нетрадиционные способы обработки почвы. // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1998, №12, с. 12-15.

60. Панов А.И. Статистическая оценка агротехнических показателей работы почвообрабатывающего агрегата // Сб. научных тр. МГАУ. М., 1998.

61. Панов И.М. Современное состояние и пути развития техники для новых технологий возделывания сельскохозяйственных культур. // Итоги науки и техники. Серия «Тракторы и сельскохозяйственные машины и орудия», т. 5. -М.: ВИНИТИ, 1990.-162 с.

62. Панов И.М., Велиев Н.Т. Математическая модель МТА с ротационным плугом для исследования устойчивости движения при работе на склонах. // Тракторы и сельхозмашины, 1978, №12.

63. Панов И.М., Велиев Н.Т. Результаты исследования устойчивости движения МТА с ротационным плугом. // Тракторы и сельхозмашины, 1979, №12.

64. Погорелов JI.B. Инженерные методы испытания сельскохозяйственных машин. Киев: Техшка, 1981. - 174 с.

65. Попов Д.А. и др. Системы подрессоривания современных тракторов. -М.: Машиностроение, 1974. 102 с.

66. Плющев Г.В. Исследование процесса глубокого рыхления почвы и выбор оптимальных параметров рабочего органа пропашного культиватора-рыхлителя для орошаемой зоны земледелия. Автореф. дисс. канд. техн. наук. -Алма-Ата, 1973.-20 с.

67. Росляков В.П. Уравнение динамики прицепных машин. // Доклады ТСХА, вып. 66, 1961.

68. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. -М. Наука, 1968.

69. Саакян Д.Н. Контроль качества сельскохозяйственных работ в полеводстве. М.: Колос, 1973. - 266 с.

70. Современные сельскохозяйственные машины и оборудование для растениеводства (конструкция и основные тенденции развития). // По материалам Международного салона сельскохозяйственной техники SIMA-2001.-М.: Изд. «ИНФРА-М», 2001. с. 14-51.

71. Сборник агротехнических требований на тракторы и сельскохозяйственные машины. М.: ЦНИИТЭИ, 1982.

72. Свирщевский Б.С. Эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Гос. изд. с.-х. литературы, 1958.

73. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977.

74. Тимофеев А.И. Устойчивость движения и управляемость колесных ходов сельскохозяйственных машин и тракторов. // Сб. трудов по земледельческой механике. М.: Сельхозгиз, 1952. - 52 с.

75. Тимофеев А.И. Теоретические основы управления мобильными с.-х. машинами. //Доклады МИИСП, 1971, с. 42-58.

76. Тома Д. Методы и машины для глубокого рыхления почвы. // Доклад Европейской экономической комиссии ООН, т. 82 . Нью-Йорк, 1978. - 25 с.

77. Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Исследования с.х. техники и обработка опытных данных. М.: Колос, 1994. - 169 с.

78. Токушев Ж.Е. Теория и расчет орудий для глубокого рыхления плотных почв. М.: ИНФРА-М, 2003.

79. Хантадзе З.А. Сила тяги плугов и ее наивыгоднейшее направление. -Тбилиси: Изд. Грузинского СХИ, 1960. 148 с.

80. Хачатрян Х.А. Влияние рельефа на траекторию движения трактора. // Науч. труды АрмНИИМЭСХ, вып. 11. Ереван, 1964.

81. Хачатрян Х.А. Движение тела поперек наклонной плоскости. // Науч. труды АрмНИИМЭСХ, вып. 11. Ереван, 1964.

82. Хачатрян Х.А. Работа почвообрабатывающих агрегатов на склонах и водная эрозия почвы. // Науч. труды АрмНИИМЭСХ, вып. VII. Ереван, 1969.

83. Хачатрян Х.А. Стабильность работы почвообрабатывающих агрегатов. М.: Машиностроение, 1974. - 240 с.

84. Хохлов И.М. Проблемы механизации горного земледелия. // Тракторы и сельхозмашины, 1962, №2.

85. Шакиров Б. Обоснование конструктивных и технологических параметров чизельного плуга. // Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1986. -19 с.

86. Яблонский А.А. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1966, с.39-53.

87. Crolla D.A. Effect of cultivation implements of tractor ride vibration and implications for implement control. J. Agr. Engng Res., 1976, V.21, N3, p. 247261.

88. Reece A.R., Gupta R., Tayal S.S. The lateral stability of tractor implements. J. Agr. Engng Res., 1966, V.l 1, N2, 80-88.

89. Агротехнические показатели глубокорыхлителя: угол уклона а=0°, число рабочих органов п=3, 5=0,75 м

90. Режим работы Ширина захвата Глубина обработки