Содержание работы

Введение содержит общую характеристику работы, обоснование актуальности темы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» на основании литера­турных источников изучены особенности выращивания картофеля в РФ и за рубежом, гребневые тех­нологии его возделывания, выполнен анализ технических средств применяемых для подготовки почвы с формированием гребней.

Из рассмотрения общей схемы предпосадочной подготовки почвы, следует, что традиционно применяемые способы не предусматривают глубокого рыхления для разрушения плужной подошвы. В свою очередь это отрицательно сказывается на урожайности ввиду неблагоприятного влияния переуплотненности в зоне распространения корневой системы растений.

Наиболее приемлемый метод подготовки, заключается в нарезании гребней. Однако на основании анализа способов гребневой предпосадочной подготовки показана необходимость проведения глубокого рыхления с различной степенью крошения по горизонтам в зоне распространения корневой системы. Более того следует проводить одновременное формирование гребней, для уменьшения числа проходов в весенний период во избежание излишнего уплотнения почвы.

Существующие культиваторы, как с активными, так и с пассивными рабочими органами не в полной мере отвечают агротехнике возделывания в аспекте снижения плотности почвы.

Фрезерные культиваторы обладают значительной метало и энергоемкостью, имеют невысокую надежность и рыхлят почвы на глубину не более 15см. В связи с этим они малопригодны для осуществления способов, предусматривающих глубокое рыхление.

Применение серийных машин для глубокого рыхления с пассивными рабочими органами весьма ограничено, так как они имеют значительное тяговое сопротивление и низкую степень крошения. Использование глубокого рыхления как отдельной операции нецелесообразно и с технической и с экономической сторон.

Во избежание отмеченного необходимо иметь рабочие органы культиватора, совмещающие глубокое рыхление и формирование гребней.

Исследованию проблем подготовки почвы и в целом механизации возделывания картофеля посвящены работы: Синеокова Г.Н., Верещагина Н.И., Горбачева И.В., Замотаева А.И., Кушнарева А.С., Сизова О.А., Панова И.М., Коршунова А.В. и др.

Показано, что необходимо усовершенствовать технологию предпосадочной подготовки почвы, с совмещением глубокого рыхления и гребнеобразования под картофель и разработать соответствующие рабочие органы при внесении конструктивных изменений в существующие культиваторы.

На основании этого сформулированы следующие задачи исследования:

1. Теоретически обосновать технологию предпосадочной подготовки почвы с совмещением операций глубокого рыхления и гребнеобразования.

2. Изыскать рабочий орган глубокорыхлителя с ярусным расположением конструктивных элементов и математическими методами оптимизировать его геометрические параметры.

3. Аналитически определить и экспериментально подтвердить влияние разработанного рабочего органа на изменение тягового сопротивления и агротехнику возделывания.

4. Провести лабораторные исследования опытных образцов, полевые испытания предложенного способа предпосадочной подготовки, реализованного с помощью усовершенствованного культиватора с глубокорыхлителем.

5. Реализовать представленные предложения в производственных условиях и дать их технико-экономическую оценку.

Во второй главе «Теоретическое обоснование технологии и конструкции рабочих органов» рассмотрены предпосылки исследований, обоснована технология подготовки почвы глубокорыхлителем с одновременным гребнеобразованием, проведено изыскание оптимальных параметров конструкции рабочего органа для разуплотнения почвы с учетом агротехнических требований и минимализации тягового сопротивления (F), осуществлена численная реализация полученных математических зависимостей.

Предварительные расчеты тягового сопротивления для различных типов рабочих органов глубокорыхлителей, проведенные исходя из классических воззрений, позволили установить, что минимальное (F) достигается при использовании глубокорыхлителя с ярусным расположением конструктивных элементов. Между тем необходимо теоретически обосновать технологию подготовки почвы с использованием глубокого рыхления, изыскать и оптимизировать рабочий орган, установить математическую связь между тяговым сопротивлением, конструктивными, эксплуатационными и агротехническими параметрами.

На основании всестороннего изучения известных материалов по возделыванию картофеля предлагается способ обеспечивающий оптимальный водно - воздушный, тепловой и пищевой режим в зоне распространения корневой системы.

Сущность способа: нарезание гребней высотой 15-20см с осени; весной между гребнями проводится глубокое рыхление на глубину до 35см с одновременным формированием новых гребней над разрыхленной полосой за счет разрушения нарезанных ранее. В этом случае почва сохраняет состояние, удовлетворяющее оптимальным агротехническим условиям в течение всего периода вегетации.

При реализации способа необходимо заранее определить глубину хода окучивающих органов (h) для регулировки культиватора с учетом заданных параметров: высоты (Н) и ширины верхней части гребня (d); плотности почвы до формирования (ρ₁, ρ₁^′) и после (ρ₂); ширины междурядий (D); ширины лемеха окучника (b_o).

Рассмотрены два способа предпосадочной подготовки: 1- формирование гребней на ровной поверхности; 2- формирование гребней на поверхности с нарезанными с осени гребнями.

После несложных математических выкладок получены следующие выражения:

- для способа 1

, (1)

- для способа 2

, (2)

Из формул (1) и (2) следует, что h₁ меньше чем h₂, однако для способа 2 следует ожидать незначительного увеличения тягового сопротивления вследствие более низкой плотности почвы в гребнях и наличия свободного резания.

Во избежание критической глубины рыхления, приводящей к видоизменению процессов резания и увеличению фактора смятия необходимо проводить рыхление послойно (ярусно), таким образом, чтобы верхний слой не оказывал влияния на скол нижнего горизонта.

Основываясь на вышесказанном, оптимизированы геометрические параметры ярусного глубокорыхлителя, проведены теоретические исследования, основанные на работах Горячкина В.П., Ветрова Ю.А., Зеленина А.Н., Труфанова В.В.

В качестве параметров приняты (Рис. 1): расстояние между лезвием долота и задней кромкой лапы (L), глубина рыхления лапой (а₁), глубина рыхления долотом (а₂), угол скалывания почвы в продольной плоскости (ψ₁), ширина захвата лапы (В), ширина захвата долота (b), угол скалывания почвы в поперечном направлении (ψ₂).

Расстояние L принимается из соображений, чтобы скол почвы долотом 4 происходил в свободное от грунта пространство II за лапой.

Глубины: а₁- определяется установленными агротехническими требованиями; а₂- выбирается исходя из соотношения

, (3)

но таким образом, чтобы была разрушена плужная подошва.

Углы ψ₁ и ψ₂ зависят от типа и состояния почвы. Величина В принимается исходя из размеров серийных лап с учетом создания незаполненного почвой пространства, равного ширине поверхности полосы деформируемой долотом. Значение b с учетом рекомендаций принимают не менее 50мм.

Геометрические параметры L и а₂ связаны между собой соотношением

, (4)

Такое соотношение геометрических размеров позволит: увеличить зону рыхления из-за отсутствия критической глубины; уменьшить тяговое сопротивление т.к. слой почвы после схода с лапы не оказывает давление на стружку скалываемую долотом; рыхлить почву с различной степенью крошения.

Одним из наиболее важных энергетических показателей является тяговое сопротивление (F). Основываясь на представлениях Горячкина В.П., его школы и с учетом ярусного рыхления следует:

F=F₁+F₂+F₃+F₄+F₅ (5)

(F₁, F₂, F₃, F₄, F₅ представляют собой суммы сопротивлений лапы и долота F_iл+F_iд)

где F₁ – сопротивление внедрения рабочего органа в почву, Н; F₂ - сопротивление от веса пласта, Н; F₃ - сопротивление, обусловленное силами инерции, Н; F₄ - сопротивление сдвигу стружки, Н; F₅ - сопротивление от трения, Н;

Сопротивление внедрению рабочих органов F₁ (лапы и долота) вычисляется по классическим выражениям. Для решения уравнения (5) при ярусном рыхлении необходимо определить влияние массы пласта верхнего горизонта на силы: F_2д, F_3д и F_5д. Ярусная обработка почвы вносит некоторые коррективы и в определение F₄.

Таким образом, для реализации выражения (5) необходимо:

- выявить влияние конструкции рабочего органа на пространственное перемещение почвенной массы и подобрать параметры, обеспечивающие наличие свободного от почвы пространства за лапой;

- определить суммарную площадь поверхности скола стружки.

Задача по перемещению почвенного пласта по поверхности культиваторной лапы и дальнейшего ее движения решалась на использовании теоретических основ сельскохозяйственных машин и теоретической механики.

Принятая расчетная схема базируется на схеме внедрения клина высотой h в почву. В связи с тем, что слой почвы движется по клину поступательно его правомочно рассматривать как материальную частицу, брошенную под определенным углом к горизонту (в данном случае это угол резания α) со скоростью равной скорости движения агрегата (v). При расчетах учитывалось отклонение траектории частицы на угол β=α–φ, вследствие влияния угла трения (φ) почвы о поверхность клина.

После математических преобразований уравнение траектории движения точки имеет вид:

. (6)

Так как наличие свободного пространства за лапой определяется координатой x при y=0, нахождение дальности полета частицы сводится к решению квадратного уравнения:

. (7)

В конечном виде дальность полета частицы (L_П):

. (8)

Проведя численную реализацию, основанную на рекомендациях ряда ученых и практическом опыте приняты следующие параметры: v = 2 м/с,

h = 0,03м, α = 30°, φ = 25°. Тогда L_П = 0,16м и этим обеспечивается свободное от почвы пространство за лапой. В этом случае масса почвы верхнего слоя не будет оказывать влияние на увеличение сопротивлений долота F₂, F₃ и F₅.

Для определения силы сопротивления сдвигу (F₄) стружки было необходимо определить площадь ее скола (S), состоящую из суммы площадей скалываемых лапой (S_Л) и долотом (S_Д):

S = S_Л + S_Д . (9)

Применение замедленной съемки как метода проведения экспериментов позволило установить форму сдвигаемой лапой поверхности стружки, представляющей собой полуэллипс. Аналогичные исследования, проводимые ранее, не учитывали данное обстоятельство, что вело к значительным неточностям в прогнозировании тягового сопротивления. Основываясь на результатах съемки, получена уточненная расчетная схема к определению суммарной площади скола стружки ярусным глубокорыхлителем (Рис.2).

В этом случае S_Л будет определяться выражением:

, (10)

где, Р_э – периметр эллипса.

Площадь стружки образуемой долотом является суммой площадей стружки скалываемой в лобовом (S_лоб) и боковом (S_бок) направлениях

. (11)

При расчете S_лоб учитывалось, что в лобовом направлении смещение стружки происходит под определенным углом ψ₁

. (12)

П лощадь скола в боковом направлении равна удвоенной сумме площадей прямоугольника АВВ₁А₁ и площади четверти боковой поверхности конуса высотой a₂ и радиуса .

, (13)

где, l_ст – длина отрезаемой стружки. Тогда, исходя из (11) и принимая, что углы ψ₁ и ψ₂ примерно равны получим:

, (14)

Математический анализ силового взаимодействия ярусного глубокорыхлителя с почвой опирается на классические труды В.П. Горячкина посвященные теории клина. Расчетная схема (Рис.3) деформации почвы клином разработана с учетом максимально возможного количества действующих на него сил, не учтенных в известных исследованиях при глубоком рыхлении.

В силовом анализе принималось допущение, что теория клина применима как к перемещению почвы лапой культиватора, так и к взаимодействию ее с долотом. Поэтому каждая из составляющих силы тягового сопротивления рабочих органов (формула 5) как уже отмечалось, представляет собой сумму сил сопротивления действующих на лапу и долото.

Используя известное выражение для определения силы от внедрения рабочего органа в почву и применив его к условиям ярусного глубокого рыхления получим

F₁= В (К_п + σ_сж L_ст) +b(К_п + σ_сж l_ст). (15)

Так как слой почвы после схода с лапы не оказывает давления на стружку скалываемую долотом согласно выражениям (3), (4) то весом этого слоя можно пренебречь при расчете F_2Д, F_3Д и F_5Д, тогда:

F₂ = ρ g( S_Л L_ст + S_Д l_ст); (16)

; (17)

F₅ = [F₂ ·cosα + (F₃+ F₄)·cos 90-(α+ψ)]·f. (18)

Сопротивление сдвигу стружки (F₄) определяется произведением:

F₄= τ_пр S_Л + τ_пр S_Д = τ_пр (S_Л + S_Д) (19)

где, τ_пр – напряжение сдвига, мПа; S_Л и S_Д определяются по формулам (10) и (14) соответственно. В конечном виде F имеет следующее выражение:

F = В (К_п + σ_сж L_ст) + (К_п + σ_сж l_ст) b + ρ g( S_Л L_ст + S_Д l_ст) +

+ (S_Л + S_Д) +{[ρ g( S_Л L_ст + S_Д l_ст)]cosα + +[ (S_Л + S_Д)]cos 90-( α+ψ)} f.

Теоретическими изысканиями получена формула для определения тягового сопротивления, которая позволяет учесть влияние свойств почвы (ρ, f, ψ), конструктивных параметров ярусного глубокорыхлителя (α, В, b) и технологических параметров (v, a).

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» представлены общая методология исследований и приведены частные методики проведения экспериментов с описанием конструкции предложенных рабочих органов и агрегатов для предпосадочной обработки почвы. Экспериментальные исследования выполнялись на разработанной и изготовленной установке (Рис. 4) состоящей из следующих элементов: 1- рама; 2- опорные колеса; 3- фиксирующие пальцы; 4- стержни с цилиндрическими шарнирами; 5- горизонтальная планка; 6- крепежная накладка; 7- крепежное устройство; 8- рабочий орган (глубокорыхлитель); 9- тяги; 10- динамометрическое звено; 11- неподвижная стойка.

Для контроля постоянства скорости предусмотрено полевое колесо 12 с тахогенератором. Нарезание гребней осуществляется гребнеобразователями, установленными в дополнительном конструктивном элементе 13.

Непосредственно глубокорыхлитель 8 состоит из стойки 14; стрельчатой лапы 15; крепежного устройства 7; стойки долота 16 и долота 17.

Полевые испытания осуществлялись культиватором глубокорыхлителем – гребнеобразователем КГГ- 2,8 (авторское название) путем модернизации серийного культиватора КНО-2,8 (возможно использование и других подобных агрегатов). Модернизация состояла в установке ярусных глубокорыхлителей и гребнеобразователей.

Испытания на тяговое сопротивление (F) велись в полевых условиях на экспериментальной установке (рис.4), агрегатируемой трактором Т-25.

При определении F использовалась электротензометрия с одновременным применением компьютерных технологий.

Тензорезисторы марки ПКБ-10 наклеивались по мостовой схеме. Тарировка тензозвена проводилась на разрывной машине Р-0,5 механического типа. Нагружение и разгружение осуществлялось ступенчато через 0,2кН. Нагружали до 4,5кН затем разгружали до 0. Аналого- цифровой преобразователь (АЦП) марки ЛА- 2USB смонтирован на базе переносного компьютера и позволяет проводить измерения в полевых условиях путем снятия показаний (осциллограмм) и последующей их оцифровки. Скорость агрегата поддерживалась постоянной следуя показаниям тахогенератора марки Д- 1ММ.

В качестве параметра оптимизации принято тяговое сопротивление глубокорыхлителя (F). Из воздействующих на параметр оптимизации факторов выделены три наиболее существенные: глубина обработки почвы долотом – а₂, (м); ширина захвата долота - b, (м); расстояние между лезвием долота и задней кромкой лапы -L, (м). Эти три фактора являются управляемыми, т.е. им можно придавать любые значения внутри области определения и поддерживать их в течение всего опыта постоянными. Математическая модель, описывающая функцию отклика, выражалась уравнением регрессии:

у = b₀+b₁ Х₁+b₂ Х₂+b₃ X₃+b_1,2 Х₁ Х₂+b_1,3 Х₁ Х₃+b_2,3 Х₂ Х₃+b_1,2,3 Х₁ Х₂X₃, (9)

где Х₁, Х₂, X₃ - значения факторов; b_о - свободный член, равный выходу при X = 0; b₁, b₂, b₃ - коэффициенты регрессии соответствующих факторов, указывающие влияние того или иного фактора на изучаемый объект; b_1,2 , b_1,3, b_2,3 - коэффициенты регрессии соответствующих факторов двойного взаимодействия; b_1,2,3 - коэффициент регрессии факторов тройного взаимодействия.

В нашем случае: Х₁ - глубина хода долота (а₂); Х₂ - ширина захвата долота (b); X₃ - расстояние между лезвием долота и задней кромкой лапы (L); у- выходной параметр - тяговое сопротивление глубокорыхлителя (F).

Оптимизация факторов выполнена согласно теории планирования экспериментов, теории вероятности и математической статистики.

Полевые опыты проводили в 2005- 2008г на двух одинаковых участках площадью 1,1 га каждый. Почва на первом участке - дерново - подзолистая легкосуглинистая с содержанием гумуса 1,38 %.

Почва на втором участке серая лесная, среднесуглинистая, способная заплывать и слипаться после дождей, а так же уплотняться в сухую погоду. Мощность пахотного слоя 20-24см, содержание гумуса – 2,8 %.

Закладка полевого опыта на каждом участке проводилась по трем вариантам: (Промежуточный вариант в автореферате не рассматривается)

вариант 1- подготовку почвы осуществляли по традиционной для хозяйств технологии (контроль): зяблевая вспашка; весной, разбросное внесение органических удобрений с последующей запашкой, культивацией и формированием гребней культиватором КРН-4,2 в агрегате с трактором МТЗ-82.

вариант 2 - внесение органических удобрений, зяблевая вспашка, осенняя нарезка гребней; весной, глубокое рыхление между гребнями экспериментальными рабочими органами с одновременным смещением их и формированием над разрыхленной полосой (предложенная технология).

При постановке опытов использовались три сорта картофеля с различным сроком созревания. Жуковский ранний- ранний сорт, Невский- среднеранний сорт и Скарб- среднеспелый сорт.

При оценке качества работы предлагаемого орудия плотность и твердость почвы определялась согласно: ГОСТ 20915 – 85; ГОСТ 29269 – 91 соответственно. Влажность почвы (%), рассчитывалась по формуле:

W = 100c / n , (10)

где с - масса испарившейся воды, г; n - масса абсолютно сухой почвы при тем­пературе 105°С, г.

По данным сухого просеивания определялся коэффициент структурности:

К_стр = , (11)

где К_стр - коэффициент структурности; А - сумма агрегатов раз­мером от 0,25 до 10 мм (%); Б — сумма агрегатов < 0,25 мм и ком­ков > 10 мм (%).

Урожайность учитывалась поделяночно, сплошной уборкой.

Накопление урожая и его структура по периодам роста определялась методом отбора проб на каждой делянке.

Четвертая глава «Результаты экспериментальных исследований и их обсуждения» посвящена анализу полученных экспериментальных данных.

Результаты планирования эксперимента в целом подтвердили данные по тяговому сопротивлению полученные при теоретических изысканиях. Расхождение в численных значениях составило менее 10%.

Тяговыми испытаниями по предлагаемой технологии и традиционном способе установлены зависимости F от скорости движения агрегата (v) и ширины захвата лапы (В) (Рис. 5 и 6). Установлено, что характер изменения F=f(v, B) фактически одинаков с теоретически полученными результатами.

Т яговые сопротивления, полученные при применении традиционной технологии и предлагаемой, оказались фактически одинаковыми - 2кН и 2,1кН соответственно. Это достигается наличием гребней нарезанных с осени и превалирующим свободным резанием при гребнеобразовании весной.

Имеет место различие в амплитудах осциллограмм при глубоком рыхлении и образовании гребней без рыхления. Так повышенная амплитуда в случае обработки почвы агрегатом с глубокорыхлителем объясняется более оптимальными агротехническими параметрами (меньшей , Н и т.д.), что позволяет четко «откликаться» (реагировать) почвообрабатывающему агрегату на любые пространственные и структурные изменения обрабатываемого слоя.

Исследования процесса рыхления показали значительное снижение плотности () почвы, измеренное по горизонтам при совмещенной обработке (Рис. 7) относительно традиционной технологии. Такое положение во многом связано с естественным разуплотнением почвы в гребнях нарезанных с осени из-за периодического замерзания-оттаивания.

Агрегатный состав оценивался количеством фракций, коэффициентом крошения (К_кр) и коэффициентом структурности (К_ст) по трем горизонтам. Содержание наиболее ценных фракций 0,25…10мм в горизонте развития корневой системы (20-30см) составляет: для традиционной технологии 69% а для предлагаемой 80%, а коэффициенты крошения соответственно равны 79% и 88%. В свою очередь К_ст равен 2,2 и 4,0 при обработке соответственно типовым и предлагаемым методами.

Экспериментами, проведенными непосредственно в поле подтверждены более оптимальные агротехнические показатели (влажность, плотность и твердость) при обработке совмещающей глубокое рыхление и нарезание гребней. Эти показатели остаются более приемлемыми как в период подготовки, так и в период вегетации.

Применение глубокого рыхления способствует снижению количества сорняков в сравнении с типовой подготовкой под посадку примерно в 3 раза. Причем это характерно для обоих типов почв, на которых проводились исследования (Рис. 8).

Уменьшение степени засоренности объясняется следующим: первое- с осени имеет место три обработки (лущение, вспашка, нарезка гребней);

второе- лучший температурный режим в гребнях провоцирует прорастание сорной растительности и приводит к ее уничтожению при последующем глубоком рыхлении с образованием новых гребней. Определенную роль в уничтожении сорняков играет и глубокое рыхление.

П роверка на различных типах почв с использованием в качестве посадочного материала 3-х сортов картофеля (раннего, среднераннего и среднеспелого) позволила установить прирост урожайности в случае применения предлагаемой технологии (рисунок 9).

О собенно это заметно на суглинистых почвах, так как они подвержены большему уплотнению и требуют дополнительных мер по рыхлению. В среднем прирост урожайности на опытных участках составил 10…20%.

В пятой главе «Производственные испытания, внедрение и экономическая эффективность» результаты исследований были апробированы на полях ОНО ОПХ «Первомайское», являющемся дочерним предприятием Брянской опытной станции по картофелю. Внедрение технологии, рабочего органа и усовершенствованного культиватора произведено в этом же хозяйстве и в МУП МТС Выгоничского района. Применение ярусного глубокорыхлителя возможно в сочетании с любым серийным культиватором для междурядной обработки.

Повышение урожайности при минимализации числа операций позволило получить годовой экономический эффект в размере 72870 руб. на 50 га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Создана и теоретически обоснована технология предпосадочной подготовки почвы, заключающаяся в нарезании гребней с осени и осуществлении глубокого рыхления между ними весной с одновременным формированием новых гребней высотой 15-20см над разрыхленной полосой при ширине междурядий 70см.

2. Разработан рабочий орган – глубокорыхлитель с ярусным расположением конструктивных элементов. Оптимизированы и экспериментально подтверждены его геометрические параметры, имеющие следующие значения: расстояние между лезвием долота и задней кромкой лапы измеренное по горизонтали и вертикали 0,13-0,15м, ширина долота 0,05-0,7м, а угол резания 30° (патент РФ на изобретение № 2236101).

3. Показано, что среднее тяговое сопротивление при предпосадочной подготовке почвы по предлагаемой технологии не отличается от аналогичного параметра в случае традиционной подготовки почвы – 2,1кН и 2,0кН соответственно. Зависимости тягового сопротивления от скорости движения агрегата и ширины культиваторной лапы адекватны зависимостям, полученным при теоретических исследованиях.

4. Подготовка почвы с применением предлагаемого способа и ярусного глубокорыхлителя обеспечила в сравнении с традиционным методом: снижение плотности почвы на 20%, рост коэффициента структурности в 1,8 раза, уменьшение твердости и засоренности на 41% и 60% соответственно, позволила создать более оптимальный воздушно-тепловой режим в клубнеобитаемом пространстве.

5. Производственные испытания показали увеличение урожайности на 15% при экономическом эффекте 72870 руб. на 50 га.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: