Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ существующих технологий заделки семян в почву и конструкций бороздообразующих рабочих органов 7
1.1. Анализ существующих технологий заделки семян в почву на основе имеющихся рабочих органов 7
1.2. Выводы по главе, цели и задачи исследований 21
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование предлагаемой технологий заделки семян в почву и основных параметров предлагаемой конструкции заделывающего рабочего органа 23
2.1. Предлагаемая технология заделки семян в почву. Устройство и работа предлагаемого бороздообразующего рабочего органа 23
2.2. Определение реакции почвы действующих на лезвие и бороздообразующие диски. Определение плотности почвы на дне борозды
2.2.1. Определение сил сопротивления резанию 29
2.2.2. Определение реакций почвы, действующей на бороздообразующий диск 33
2.2.3. Определение плотности почвы на дне борозды 39
2.3. Обоснование основных конструктивных параметров бороздообразующего диска 41
2.3.1. Обоснование диаметра бороздообразующей накладки 41
2.3.2. Обоснование ширины бороздообразующей накладки 44
2.3.3. Обоснование угла конусности конической части бороздообразующей накладки 2.4. Определение устойчивости глубины хода сошника 49
2.5. Разработка математической модели и программы расчета процесса распределения семян на дне борозды 53
2.6. Выводы по главе 63
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследовании 65
3.1. Общая программа экспериментальных исследований 65
3.2. Программа лабораторных исследований
3.2.1. Устройство и работа экспериментального рабочего органа 65
3.2.2. Устройство и работа почвенного канала. Общий вид лабораторной установки 68
3.2.3. Методика определения влияния свойств почвы и глубины хода сошника на плотность дна борозды 70
3.2.4. Методика определения липкости почвы и тягового сопротивления бороздообразующего диска 74
3.2.5. Методика определения влажности почвы в почвенном канале 77
3.2.6. Математическая модель работы бороздообразующего рабочего органа и определение его основных конструктивных параметров методом многофакторного эксперимента 80
3.3. Выводы по главе 84
ГЛАВА 4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 86
4.1. Результаты определения влияния свойств почвы и глубины хода сошника на процесс образования бороздки для семян 86
4.2. Результаты определения тягового сопротивления и агротехническая оценка бороздообразующего рабочего органа посевной машины 93
4.3. Результаты определения оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего рабочего органа методом многофакторного эксперимента 95
4.4. Влияние профиля борозды на распределение семян по глубине 100
4.5. Производственные испытания и агротехническая оценка работы экспериментальной сеялки 103
4.6. Выводы по главе 109
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность применения зерновой сеялки с модернизированным бороздообразующим рабочим органом 111
5.1. Расчет экономической эффективности 111
5.2. Выводы по главе 113
Общие выводы 114
Список литературы
- Выводы по главе, цели и задачи исследований
- Определение реакций почвы, действующей на бороздообразующий диск
- Программа лабораторных исследований
- Результаты определения оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего рабочего органа методом многофакторного эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Для осуществления заделки семян в почву применяются сошники различных конструкций. Наибольшее распространение получили сошники двухдисковые, анкерные, килевидные и лаповые.
Существующие сошники создают недостаточно благоприятные условия для прорастания семян и, как правило, неудовлетворительно работают в условиях повышенной влажности почв.
Исходя из вышеизложенного, актуальным является вопрос совершенствования технологии заделки семян и конструкции заделывающих рабочих органов для улучшения условий прорастания семян и обеспечения качества работы сеялок. Решение этого вопроса является важной задачей, имеющей научное и хозяйственное значение.
Данная работа направлена на совершенствование технологии заделки семян в почву и обоснование конструкции и параметров нового заделывающего рабочего органа, обеспечивающего создание более благоприятных условий для прорастания семян и эффективную работу посевного агрегата в условиях повышенной влажности почв.
Степень разработанности темы. Вопросами заделки семян в почву в разные годы занимались; П. Я. Лобачевский, С. Г. Ломакин, А. Б. Лурье, Е.И. Давидсон, В. В., Демчук Е.В., Ли, А. С. Абашкин, Кобяков И.Д, Комаристов, М. К. Амирханов, А. И. Беднов, Г. М. Бузенков, В. К. Бурлаков, X. С. Гайнанов, А. П. Глотов, В. Г. Гнизюмедов, Г. К. Демидов, С. А. Ивженко, М.Х. Каскулов, А. Я. Карпенко, М. Б. Ероков, и др. Их исследования посвящены совершенствованию технологического процесса и конструкций различных рабочих органов посевных машин, в том числе заделывающих семена в почву.
Анализ работ по теме показал, что в настоящее время отсутствуют технологические и технические решения, направленные на создание новых посевных машин, которые обеспечивали бы качественное выполнение агротехнических требований при работе сеялок в условиях повышенной влажности.
Основной проблемой при посеве в условиях повышенной влажности почвы является залипание сошников почвой и потеря ими работоспособности, вследствие чего увеличивается тяговое сопротивление посевного агрегата, нарушается технологический процесс равномерного распределения семян по площади и требуемой глубине их заделки в почву.
В связи с этим возникает необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию заделывающих рабочих органов, способных обеспечить посев семян сельскохозяйственных культур в условиях повышенной влажности почв.
Рабочая гипотеза: совершенствование технологии посева семян и конструкции заделывающего рабочего органа сеялки для работы в условиях повышенной влажности почвы.
Цель работы – повышение эффективности и качества посева путем совершенствования конструкции заделывающего рабочего органа посевной машины и обоснование основных параметров его конструкции.
Задачи исследований:
-
Обосновать с агротехнической точки зрения новый способ заделки семян и выделить критерии эффективности конструкции рабочего органа для заделки семян.
-
Теоретически обосновать конструкцию и основные параметры заделывающего рабочего органа зерновой сеялки.
-
Экспериментально исследовать в лабораторных и полевых условиях предлагаемую конструкцию заделывающего рабочего органа и установить его основные параметры.
-
Выполнить технико-экономическую оценку новой конструкции заделывающего рабочего органа.
Объект исследования – технологические процессы бороздоформирования и заделки семян в условиях повышенной влажности почв.
Предмет исследования – конструктивные параметры и режимы работы устройства для посева семян зерновых культур в условиях повышенной влажности почв.
Методика исследований. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений высшей математики, теоретической механики и теории механизмов и машин. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях в соответствии с разработанными методиками, с использованием планирования многофакторного эксперимента и последующей статистической обработкой полученных данных.
Научная новизна полученных результатов:
физическая и математическая модели работы зерновой сеялки с модернизированными бороздообразующими рабочими органами для посева семян зерновых культур в условиях повышенной влажности почв;
теоретические зависимости для обоснования основных рабочих параметров модернизированного дискового бороздообразующего рабочего органа зерновой сеялки;
математические зависимости для определения основных конструктивных параметров модернизированного дискового бороздообразующего рабочего органа зерновой сеялки;
техническая новизна конструкции заделывающего рабочего органа и формируемая новой конструкцией борозда с уплотненными стенками и дном защищена патентом РФ № 2511237.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований позволили разработать и обосновать новую конструкцию бороз-дообразующего рабочего органа, благодаря которой достигается уплотнение дна и стенок борозды, что вызывает подток влаги и питательных веществ к семенам, что в свою очередь способствует улучшению условий их прорастания. Уплотнение стенок борозды не позволяет почве осыпаться и закрывать дно борозды до укладки в него семян. Закрытие семян сверху рыхлой почвой препятствует испарению влаги и вместе с тем обеспечивает приток воздуха к семенам, что также благоприятно сказывается на их прорастании и дальнейшем развитии всходов.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований подтверждаются использованием апробированных методик, ГОСТов, ОСТов и РД, современной проверенной контрольно-измерительной аппаратурой; достаточной повтор-
ностью измерений; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; выступлениями на научно-технических конференциях и публикациями в открытой печати; внедрением в производство.
Экспериментальный образец сеялки изготовлен на ООО «Ремонтно-механический завод «Прохладненский», г. Прохладный, Кабардино-Балкарской Республики. Испытания сеялки проведены на сельскохозяйственных предприятиях Прохладненского района.
На защиту выносятся следующие основные положения:
теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы сошника для работы в условиях повышенной влажности почв;
теоретическое обоснование процесса формирования бороздки для семян предлагаемым бороздообразующим рабочим органом;
экспериментальная оценка процесса работы зерновой сеялки с предлагаемым бороздообразующим рабочим органом.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях:
межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. – Нальчик, 2009;
III Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике». – ВТСНТ. Томск, 2014;
межвузовской научно-технической конференции молодых ученых. – Нальчик, 2015;
Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные и научно-технические разработки и исследования молодых ученных». ФГБОУ ВО РГАТУ. Рязань, 2016;
IV Международной научно-практической конференции «Современные технологии, актуальные вопросы, достижения и инновации». МЦНС «Наука и просвещение». Пенза, 2016;
Всероссийской научной конференции «Современное общество: наука, техника, образование». Уфа,2016;
Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию А.П. Тарасенко, «Современные тенденции развития технологий и технических средств в сельском хозяйстве». Воронеж, 2017;
II Международной научно-практической интернет-конференции «Современное экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты рационального природопользования» ФГБНУ «Прикаспийский научно-исследовательский институт аридного земледелия» Астраханская область, с. Соленое Займище, 2017.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 29 научных работ в ведущих научных и научно-технических изданиях, из них 6 в журналах, рекомендованных ВАК, а также получен патент РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 7 печатных листов, из них личный вклад автора 5 печатных листов.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 5 глав, общие выводы и список использованных источников из 146 наименований. Работа изложена на 147 страницах и содержит 7 таблиц, 46 рисунков и 12 приложений.
Выводы по главе, цели и задачи исследований
Острый угол вхождения в почву имеют анкерные и лаповые сошники, прямой угол – клиновидные и трубчатые сошники и тупой угол вхождения - килевидные, полозовидные и все дисковые сошники с тупым углом вхождения в почву. При встрече с препятствием или значительным сопротивлением почвенной среды они выглубляются вследствие того, что вертикальная составляющая реакции почвы направлена вверх, а сошники с острым углом вхождения заглубляются, так как вертикальная составляющая у них направлена вниз.
Анкерные сошники устанавливают на зерновых и некоторых специальных сеялках (картофелесажалках). Применяемые в отечественных сеялках анкерные и килевидные сошники имеют некоторое преимущество перед двухдисковыми. Они проще по конструкции, у них меньше масса, несложен их ремонт. Как правило, их применяют на хорошо разрыхленных и мелкокомковатых почвах, не содержащих растительных остатков. Анкерный сошник [40] состоит из наральника, воронки и хомутика, наральник имеет вогнутую рабочую поверхность. При работе сошник опирается о почву нижней поверхностью наральника, раздвигая ее в стороны и несколько вверх. Щеки сошника служат для поддержания бороздки открытой. Глубину хода анкерных сошников регулируют навешиванием на хвостовик хомутика специальных грузов и изменением угла вхождения в почву. К технологическому недостатку анкерных сошников относится неравномерная заделка семян в почву по глубине вследствие плохого копирования сошником микрорельефа. Плохо сказывается на качестве работы этих сошников вынос нижних слоев почвы на поверхность при образовании бороздки, что вызывает е иссушение, а дно бороздки остается рыхлым и плохо контактирует с семенами. Однако, М. Н. Летошнев [49], И. В. Морозов [63] и другие ученые [25, 95] установили, что эти сошники непригодны для работы на влажных и засоренных растительными остатками почвах. Килевидный сошник устроен аналогичным образом. Его наральник имеет [40] острое выпуклое переднее ребро. Во время работы сошника бороздка образуется за счет раздвигания почвы в стороны и хаотичного вдавливания ее вниз. Благодаря этому бороздка имеет несколько уплотненное дно, что способствует подтягиванию влаги к семенам из нижних более влажных горизонтов почвы.
Однако, уплотнение дна бороздки незначительное, так как большая часть почвы раздвигается в стороны от наральника, а меньшая деформируется в вертикальном направлении. Конструкция килевидного сошника не позволяет изменять плотность дна бороздки и не обеспечивает достаточно плотный контакт семян с ложем. Физико-механические свойства почвы и ее микрорельеф вызывают колебания сошника в вертикальной плоскости, что приводит к снижению равномерности глубины заделки семян.
Следует отметить также однодисковые сошники, которые по своим параметрам имеют множество различий. Однодисковые сошники одновременно с прямой своей задачей - нарезанием бороздки, лущат почву. Они лучше, чем двухдисковые, заглубляются и перерезают растительные остатки, хорошо работают в переувлажненных почвах [51]. В работе [65] описан однодисковый сошник для скоростной сеялки, разработанный в ВИМе, тяговое сопротивление которого при скорости агрегата 7 км/ч меньше, чем у двухдискового и однодискового сферического на 24 и 10 % соответственно, а при скорости 15,5 км/ч на - 30 и 13 %. Сила, требуемая для заглубления однодискового плоского сошника, меньше в 5,5…10 раз чем у двухдискового, и в 3,9…6,6 раз - чем у однодискового сферического. Также и агротехнические показатели (глубина заделки семян) оказались выше, чем у однодискового сферического и двухдискового в 1,2…1,6 и 2…2,5 раза, соответственно. Показано, что для скоростных зерновых сеялок работающих на скоростях до 15 км/ч, наиболее целесообразным типом сошника является однодисковый сошник с плоским диском, установленный под углом атаки 10 и углом крена 20.
Сошники с одним сферическим диском в нашей стране широкого распространения не получили, и, в основном, применяются в зерновых сеялках зарубежных фирм, например, в сеялке «Массей-Фергюсон – 36», «Оливер» и других, с междурядьями 0,15 м. Испытания таких сошников показали, что основным их недостатком является вынос нижних слоев почвы наверх и образование борозды большого поперечного сечения. Это все ведет к увеличению потерь влаги и энергозатрат, притом, эти недостатки усугубляются при повышении рабочей скорости агрегата. Принцип работы однодискового сферического сошника отличается от рассмотренных выше типов, у которых заделка семян происходит за счет самоосыпания почвы. Сферический диск поставленный под углом атаки, работает как отвальное opудие. В связи с этим А. И. Бараев [8, 9], ЕЛ. Огрызков [70] основным недостатком у них считают неравномерную заделку семян по глубине. Н.В. Краснощеков [42], П.Г. Кулебакин [47] и другие [65, 92] в опытах с дисками различной кривизны установили, что диски сферической формы дальше отбрасывают почву в сторону и больше ее распыляют, чем плоские. Это происходит за счет того, что подъем пласта у сферического диска выше, а отсюда и больше абсолютная скорость схода (отбрасывания) частиц с диска. Высокий подъм пласта сферическим диском требует значительных затрат механической энергии, что увеличивает его энергомкость в сравнении с плоским диском. Н. В. Краснощеков [42], П. Г. Кулебакин [47, 48] и другие исследователи [1, 27, 64, 65, 83] показали, что плоский диск, установленный с углом наклона к горизонту и углом атаки к направлению движения, имеет лучшие агротехнические и энергетические показатели в сравнении с дисками сферической формы и дисками любой кривизны, установленными вертикально. Однако, эти сошники имеют преимущества перед двухдисковыми: более равномерное распределение семян по глубине, меньший вес, простота конструкции и устойчивость хода в вертикальной плоскости.
Улучшению и изысканию оптимальных параметров однодисковых сошников посвящена работа Фомина В. Н. [98]. В результате исследований создан однодисковый сошник с уплотнителем и демпфирующими устройствами для работы на скоростных режимах до 15 км/ч, обеспечивающими высокую равномерность распределения семян. Возможно применение данного сошника, в зависимости от степени подготовки почвы, в качестве анкерного, то есть без диска. Приводятся оптимальные параметры однодискового сошника для рядового посева зерновых: сошник с уплотнителем, состоящий из плоского диска диаметром 350 мм, поставленного под углом крена 60, и анкерного уплотнителя, опущенного в почву на 5…10 мм ниже режущей кромки диска
Определение реакций почвы, действующей на бороздообразующий диск
Диск с бороздообразующими накладками перекатывается на глубине h0 под действием тягового усилия Р, а заглубляется под действием вертикальной силы G (рис. 2.5). При этом на него со стороны почвы действует реакция R. Принимая систему координат х. о. у, разложим реакцию на оси х и у: на ось у Rу = R1 у + 2R2у (2.26) на ось х Rx = R1x + R2x (2.27) где R1х, R1у - составляющие реакции на цилиндрической части бороздообразующей накладки, R2х, R2у - составляющие реакции на конической части бороздообразующей накладки. Для определения значений реакций R1х, R1у Летошневым М.Н., исходя из зависимости (2.25), предложены следующие соотношения: h2 R =q — h (2.28) 2 Я1у =-qb1i]2r1h105, (2.29) где R1х и R1у - горизонтальная и вертикальная реакции, Н, bi - ширина цилиндрической части накладки, м, Гі - радиус цилиндрической части накладки, м, q - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3, h0 - глубина погружения бороздообразующей накладки в почву, м. В.Ф. Бабковым [10], который, с учетом обозначений в (2.28) и (2.29), привел следующие уравнения: Я =q ь,, (2.30) jU + l \-a R 1у qb lr, h0-5+M, (2.31) 3/ где // - коэффициент характеризующий степень возростания нагрузки при смятии. При /л=1 уравнения (2.30) и (2.31) становятся идентичными (2.28) и (2.29). Однако, значение вертикальной составляющей реакции Rly, вычисляемое по выражению (2.29), определено М.Н. Летошневым приближенно [48]. Для дальнейшего расчета необходимо уточнить значение реакции Rly.
При случае, когда диск с бороздообразующими накладками перекатывается по почве на глубине h0 (рис. 2.6), нормальная реакция на ободе изменяется с глубиной h согласно (2.6). Тогда элементарная нормальная реакция d = qhb dS, (2.32) где dS - элемент длины обода. Вертикальная составляющая реакции на ободе dRlу = cos0, (2.33) где 0- текущий угол на ободе. Так как cos0 = dx, то: Рис. 2.5. Схема взаимодействия бороздообразующей накладки и почвы Рис. 2.6. Схема сил, действующих на цилиндрическую часть бороздообразующей накладки x0 Rlу=\qh\dx о (2.34) Представим: h = h0-r1+r1cos&, x = r1sin (2.35) Тогда: Є 0 Rlу = \biq(h0 -гх+Гі cos)dr1 sin0 (2.36) о Решая интеграл (2.17), получим: T:2 Rlу = (0o -sin0o cos0o), (2.37) qb1r1 2 где 0O = arccos , рад. (2.38) ri Нормальная реакция на ободе: Rx = + Rl (2.39) Реакцию Ri можно также выразить через уравнение (2.32). Для этого представим: S = 2rsm- = Jb\Jh -h (2.40) 2 М хМ о Тогда: ЙП п Ы/7 ZZ Д = \-qb 2rx ;= (2.41) Решая интеграл (2.41), получим: R1=-qb1j2r1-h? (2.42) Сравнивая выражения (2.42), (2.37), (2.29) приходим к выводу, что вертикальная реакция R1у, вычисленная по выражению (2.29), будет несколько больше, чем в действительности.
Полученные выражения (2.28), (2.37), (2.42) определяют значения реакций, действующих на обод или цилиндрическую часть бороздообразующей накладки.
На коническую часть бороздообразующей накладки помимо нормальной реакции N, действует сила трения Fтр (рис. 2.7), поэтому общая реакция R2 , определится из выражения: Nsm(a + p) R2 = (2.43) Ntgp cosa + Nsm a = COS где cp - угол трения почвы о поверхность бороздообразующей накладки.
Представим коническую часть бороздообразующей накладки состоящей из бесконечно большого числа цилиндрических дисков шириной db, на каждый из которых действует элементарная нормальная реакция, определяемая по выражению (2.22). Тогда элементарная реакция dR2, действующая на элементе db ширины конической части, согласно (2.42) и (2.43) равна:
Уравнения (2.28), (2.37), (2.50) и (2.51) определяют значения реакций, действующих на бороздообразующие накладки. Для практических расчетов можно принять, с достаточной степенью точности, что Rly Rb R2y R2 (согласно работам В.П. Горячкина). Тогда, исходя из выражений (2.42) и (2.47), получим: R =-qhJ2r-h1; А суммарные реакции, действующие на бороздообразующую накладку, исходя из уравнений (2.26), (2.27), (2.28), (2.50), (2.52) и (2.53), будут: Горизонтальная составляющая; ri -1 h )) + 1 (2.54) (2.55) д = qho ( L + sin a (/ + fga) ) 2 3 Вертикальная составляющая; д. = Hq(b1 [71.h105 + — sma(tga + f)(2 \h0(?,rlh0+3hl -Зг -З -h0f\n о
Давление, оказываемое бороздообразующей накладкой на дно борозды, определяется по формуле: p 6І (2.56) где /о - длина площадки смятия, м (рис. 2.8) Ь] - ширина площадки смятия, м. Как видно из рисунка 2.8: /0 = 2rx sin S, (2.57) а p Я (2.58) Подставив значение R} из (2.42) в (2.58), получим: p і Ъ г шд (2.59) Так как: 1.5 О sms = =3h R, 4J2rx (2.60) получим: p 8qh0 (2.61)
При работе бороздообразующая накладка должна образовывать борозду путем смятия почвы. Для этого необходимо, чтобы бороздообразующие накладки, перемещаясь в почве на определенной глубине, перекатывались по ней, а не сгруживали ее перед собой. Это будет достигнуто при достаточном коэффициенте трения почвы о поверхность бороздообразующих накладок.
Процесс качения будет осуществляться в том случае, если момент сопротивления при качении меньше, чем момент сопротивления при скольжении т. е.: Rlxrx +Мп 19 (2.66) где R] - нормальная реакция на ободе, Н; Rlx - тяговое сопротивление на ободе накладки, Н; /- коэффициент трения почвы о бороздообразующую накладку; Mn - момент сопротивления в подшипнике бороздообразующего устройства, Н/м. Момент сопротивления в подшипнике: М =f -О, (2.67) где Q - нагрузка на подшипник, d - диаметр внутреннего кольца подшипника, fn - приведенный коэффициент трения в подшипнике. Так как Q = Ru то условие (2.66) после преобразования запишется: Ч r1+K fr1, (2.68) R где К = f —. n 2 Подставляя значения Rj и Rlx из (2.28) и (2.32) в (2.68), получим: 2fK + — h +J9 hJK + ] h 2a 2гг У 32 V8 Ш Г где 2г\ - диаметр диска, м. Условие (2.69) есть условие перекатывания диска с бороздообразующими накладками на глубине h0. Однако, диск не должен также сгруживать почвенные комки, находящиеся на поверхности почвы. Следовательно, для нормальной работы необходимо защемление почвенных комков, т.е. должно соблюдаться условие:
Таким образом, условия (2.69) и (2.73) определяют допустимый диаметр лезвия бороздообразующего диска, который определяется глубиной его хода и трением почвы о диск и почвы о почву.
Из зависимостей (2.69) и (2.45) видно, что с увеличением коэффициентов трения минимальный допустимый диаметр уменьшается.
По исследованиям П.У. Бахтина [13] коэффициент трения почвы о сталь для обыкновенного чернозема составляет при влажности 16…25% - 0,62…0,89, а коэффициент внутреннего трения 0,5… 0,6.
Для минимальных значений коэффициентов трения и радиуса комка гк =0,5см по выражениям (2.48) и (2.52) минимальный диаметр лезвия бороздообразующего устройства составит 0,29м.
Ширина обода бороздообразующих накладок определяют ширину дна борозды, на которую будут укладываться семена.
Ширина дна борозды должна быть достаточной для укладки семян, поступивших от высевающего аппарата, и хорошего контакта их с уплотненной почвой. Для этого необходимо, чтобы ширина обода была больше максимальной длины укладываемого семени т.е.: h -1 (2.74) 1 max Высота конической части бороздообразующей накладки выбирается исходя из оптимальной глубины заделки семян в почву, которая составляет 0,06м. Превышение этого значения при данном угле конусности нецелесообразно из-за увеличения материалоемкости бороздообразующего устройства и по конструктивным параметрам. Таким образом принимаем высоту конической части бороздообразующей накладки hк = 0,06…0,08м.
Программа лабораторных исследований
Сошник для посева семян зерновых культур, включает в себя два бороздообразующих катка, выполненные в виде дискового ножа 1 с режущей кромкой, по обе стороны которого болтовыми соединениями крепятся бороздообразующие накладки 2 из полимерного материала. С наружной стороны дискового ножа 1 прикреплена ступица 3 и крышка 4, внутри которой находится шариковый подшипник 5. Во внутреннем кольце шарикового подшипника 5 запрессован стержень болта 6. Между дисковым ножом 1 и боковым круглым выступом 7 корпуса 8 находится резиновый кольцевой уплотнитель 9. Корпус 8 имеет сверху гребень 10, в передней части которой есть гнездо 11 для крепления поводка 12, а в задней - раструб 13, к которому присоединяется семяпровод 14, а к нижней его части прикреплена делительная воронка 15. Внедрение сошников в почву осуществляется под нажимом спиральных пружин 16, надетых на штанги 17, нижние концы которых опираются на поводки 12, а верхние соединены шарнирно с вилками подъема18. 3.2.2. Устройство и работа почвенного канала. Общий вид лабораторной установки
Для осуществления процесса качения сошника в лабораторных условиях использовался почвенный канал (рис. 3.4, 3.5, 3.6) научно-исследовательской лаборатории кафедры «Механизация сельского хозяйства» Кабардино-Балкарского Государственного аграрного университета им. В.М. Кокова.
Схема лабораторной установки. 1 – тележка, 2 – ролик, 3 – рельсовые пути, 4 – фундамент канала, 5 рама, 6 – поводок, 7 – бороздообразующий каток, 8 – пружина, 9 – штанга, 10 вилка подъема, 11 – винтовой механизм, 12 – трос, 13 – редуктор, 14 электродвигатель. Рис. 3.5. Общий вид лабораторной установки.
Лабораторная установка в почвенном канале. Почвенный канал состоит из тележки 1, которая перемещается на роликах 2 по рельсам 3, закрепленным на фундаменте почвенного канала 4. На раме 5 тележки 1 шарнирно закреплен поводок 6, на другом конце которого установлены два бороздообразующих катка 7. Внедрение бороздообразующих катков 7 в почву осуществляется под нажимом спиральной пружины 8, надетой на штангу 9, нижний конец которой опирается на поводок 6, а верхний соединен шарнирно с вилкой подъема 10. Вилка подъема 10 связана с рамой 5 тележки 1 посредством винтового механизма 11 для регулирования усилия сжатия пружины 8. Привод тележки осуществляется гибким тросом 12 от редуктора 13 и электродвигателя 14 через предохранительную муфту 15, смонтированных на фундаменте 4 почвенного канала. Движение тележки 1 в обратном направлении осуществляется путем реверсирования электродвигателя 14 также при помощи гибкого троса 12.
Ставилась задача определения характера зависимости плотности почвы дна образуемой борозды от глубины хода бороздообразующих накладок сошника и проверки ее соответствия теоретическим предпосылкам.
Для исследования использовалась супесь с содержанием глины 15 %, удельной массой твердой фазы 2,5-103 кг/м3; коэффициентом объемного смятия почвы 106 Н/м3. Методика экспериментальных исследований [19, 35] предусматривает использование не менее 5 точек для описания сложной зависимости и 2-х концевых точек. Поэтому опытная зависимость определялась по 7 точкам с 3-х кратной повторностью проведения опытов в каждой точке.
Сущность опыта заключалась в осуществлении взаимодействия сошника с почвой при глубине хода бороздообразующих накладок 0 - 6 см с шагом 1 см и образованием борозд клиновидной формы с плоским уплотненным дном. Сошник жестко соединялся с рамой тележки для обеспечения постоянства глубины хода. Взятие образцов почвы одинакового объема с ненарушенным сложением со дна борозды осуществлялось с помощью специального приспособления -полого штампа прямоугольной формы с заточенной нижней кромкой, совочка и буксов. Взвешивание образцов производилось на гиревых весах с точностью 0,01 г.
Для взятия пробы почвы штамп с помощью ручек погружался в дно борозды так, чтобы почва выступала над верхней кромкой штампа. С помощью совочка производилось отсечение нижней кромки штампа от почвенной массы и извлечение его из почвы. Лишняя почва с верхней кромки штампа счищалась ножом.
Для определения плотности скелета почвы производилась сушка образцов почвы в сушильном шкафу.
Сушка производилась при температуре 105С в течении 8 часов. Затем образцы взвешивались, после чего подвергались контрольной сушке в течении двух часов с последующим взвешиванием до тех пор, пока разница в весе контрольных образцов между сушками не составила менее 0,05 г (в соответствии со стандартной методикой определения физических свойств почвы [18, 73]).
Результаты определения оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего рабочего органа методом многофакторного эксперимента
Нами установлено, что борозда формируется за счет сжатия почвы и е сдвига, т.е. смещения одной части почвы по отношению к другой в результате бокового (тангенциального) давления. Для связанных грунтов изменения сопротивления почвы при действии вертикальной нагрузки на грунт можно установить согласно графику, (рис. 4.1),
График изменения сопротивления сдвигу (сжатию) от вертикальной нагрузки а уравнение, представленной на графике зависимости, имеет следующий вид: R =Ntg p + C0, g 0 о г где No - сила нормального давления; ср – угол внутреннего трения; Со - сила, соответствующая сопротивлению сдвигу и сжатию. Если tgcp обозначить через / - коэффициент внутреннего трения, то уравнение прямой приобретает вид формулы силы сопротивления трению, предложенной Кулоном R =NJg p + C0, g 0 О г где tg(D = f = —. р Из этого выражения Со можно определить по методу Н.А. Цитковича: С =0,18 —, TTDS где Р - нагрузка на грунт, кг; D - диаметр вдавливаемого шара, см; S глубина вдавливания штампа, см. Следует отметить, что при прочих равных факторах, как отмечено выше, при изучении работы бороздообразующего рабочего органа важным является исследование влияния влажности и плотности почвы на процесс бороздоформирования.
Зависимость сопротивления сдвигу почвы от влажности. На почвах сопротивление сдвигу начинает уменьшаться уже при небольших увеличениях влажности - 2…4%. Резкое его уменьшение заканчивается при влажности 15…20%. Несколько другие показатели сопротивления сдвигу обнаруживаются для различных типов почв, в частности для южного карбонатного тяжелосуглинистого чернозема Кабардино-Балкарии. Образцы почвы для опыта взяты с поля после уборки озимой пшеницы.
Как видно из рисунка 4.3, сопротивление сдвигу предкавказского чернозема заметно ниже сопротивления сдвигу типичного чернозема Центральной части Северного Кавказа. Пахотный слой южного чернозема имеет меньшее сопротивление сдвигу, чем нижележащие горизонты почвы. Наиболее резкие перегибы кривых зависимостей сопротивления сдвигу южного чернозема от влажности заканчиваются при влажности 25… 27%.
Кроме расчетного метода по показателям сопротивления сдвигу, сцепление почвы определяют также прямыми методами (сдвиг без нормальной нагрузки). Установлено, что величины расчетного и непосредственно полученного сцепления близки между собой. Для пахотного слоя дерново-подзолистых, серых лесных почв, черноземов, полученный нами показатель сцепления почвы представлен на рис. 4.4. 5 3 1
Сцепление почвенных частиц в пахотном слое основных типов почв Кабардино-Балкарии в зависимости от влажности
На рисунке 4.5. представлены кривые зависимости коэффициентов внутреннего трения в пахотном слое почвы от изменения ее влажности.
Изменение коэффициента внутреннего трения основных типов почв Кабардино-Балкарской республики в зависимости от их влажности. Сопротивление почв, сдвигу зависит также от плотности сложения почвенных частиц. Чем больше эта плотность, тем больше сопротивление сдвигу. Эта зависимость подчиняется уравнению прямой (рис. 4.6).
В литературе недостаточно данных по характеристике несущей способности почвы, а то, что имеется, относится больше не к почве, а к грунтам. Поэтому, проведенные нами исследования дают возможность раскрыть условия работы бороздообразующих катков посевной машины и определить их основные конструктивные параметры с целью создания работоспособной сеялки для работы в условиях повышенной влажности почв.
Твердость почвы Р (Н/см2) или сопротивление расплыванию (плунжерным твердомером) характеризует общее сопротивление почвы деформации. Плунжером твердомера, одновременно воспринимаются усилия на деформацию всех видов - сжатие, разрыв, сдвиг, сила трения. Однако, соотношение различных видов деформации в величине твердости различно (рис. 4.7).
Процесс образования бороздок для семенного ложа в посевных машинах зависит не только от приведенных выше факторов, но также от конструктивных параметров и формы бороздообразующего рабочего органа. Исследования по определению профиля бороздки и энергетическая оценка катка проведены нами в лабораторных условиях на почвенном канале кафедры «Механизация сельского хозяйства» Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета имени В.М. Кокова.
Для этого был изготовлен экспериментальный бороздообразующий рабочий орган с учетом того, что допускаемый предел несущей способности грунта для пахотного слоя равен 2,4 Н/см2. Кроме того, этот показатель для различных почв различен.
Например, допускаемое давление на глинистые почвы в твердом состоянии составляет 1,5...2,5 Н/см2, для суглинистой почвы в твердом состоянии - 2,5...4,0 Н/см2, а в пластичном - 1,0...2,5 Н/см2 . Супесь сухая допускает нагрузку 2,0...2,5 Н/см2, влажная -1,5...2,0 Н/см2.
Проведены опыты по исследованию уплотнения почвы и формирования бороздки при различных вертикальных нагрузках. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изменяя величину вертикальной нагрузки, можно сформировать бороздку для различных видов сельскохозяйственных культур (пшеницы, ячменя, овса, семян трав и др.).