Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Физико-механические свойства почвы в садах 10
1.2 Особенности технологического процесса обработки почвы в садах 14
1.3 Анализ технических средств для обработки почвы в рядах плодовых насаждений . 17
1.4 Анализ исследований по деформированию почвы иглой диска 27
1.5 Выводы по главе, цель и задачи исследования 29
2 Теоретические исследования взаимодействия ротационной бороны с обрабатываемой средой 31
2.1 Кинематика ротационного орудия с игольчатыми рабочими органами 31
2.2 Анализ процесса деформирования почвы иглой ротационной бороны 35
2.3 Исследование характера воздействия иглы с почвой 46
2.4 Выводы по главе 57
3 Методика определения экспериментальных исследований 58
3.1 Требования предъявляемые к качественным показателям технологического процесса поверхностной обработки почвы в садах, методы их определения 58
3.2 Методика определения силы сопротивления почвы действующей на орудия 62
3.3 Приборы и оборудование для проведения экспериментальных исследований 70
3.4 Методика обработки экспериментальных данных 74
4 Результаты экспериментальных исследований 76
4.1 Исследования агрофона 76
4.2 Определение тягового сопротивления ротационной бороны 79
4.3 Краткие выводы по главе 99
5 Экономическая эффективность результатов исследований 102
Заключение 104
Список литературы 106
Приложение А 123
Приложение Б 124
Приложение В 126
Приложение Г 130
- Анализ технических средств для обработки почвы в рядах плодовых насаждений
- Исследование характера воздействия иглы с почвой
- Методика определения силы сопротивления почвы действующей на орудия
- Определение тягового сопротивления ротационной бороны
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Почву в саду обрабатывают с целью поддержания и улучшения условий е плодородия, накопления и сохранения в ней запасов влаги, уничтожения сорняков и вредителей культурных растений. Снижение плодородия объясняется нерациональными технологиями, несовершенством конструкции технических средств, которые разрушают структуру почвы и характеризуются повышенными затратами энергии.
Существующие технические средства, остаются энергомкими. По данным профессора А.Н. Медовника при производстве плодов до 40% энергии расходуется только на выполнение технологической операции обработки почвы.
Для обеспечения плодоношения насаждений в саду необходимо создавать благоприятные условия в почве для активного и длительного роста корневой системы, которая восполняет потребность деревьев во влаге и питательных веществах. С этой целью в междурядьях сада необходимо периодически проводить глубокое чизелевание, а в ряду поверхностное рыхление. Такое воздействие на почву позволяет снизить затраты энергии и способствует сохранению е структуры.
Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку технических средств для обработки почвы внесли такие ученые как Горячкин В.П., Синеоков Г.Н., Стрельбицкий В.Ф., Воронин В.Я., Герасимов Н.А., Жилиц-кий Я.З., Лобода Н.Т., Медовник А.Н., Пархоменко Г.Г., Пронь А.С., Рубин С.С., Смелянский Н.Л., Твердохлебов С.А., Трубилин Е.И. и др. В работах этих и других ученых показано, что наиболее перспективным является направление снижения энергомкости технологического процесса за счт совмещения операций обработки почвы и универсальности безотвальных рабочих органов.
Цель исследований – совершенствование технологического процесса обработки почвы в садах за счет совмещения операций рыхления междурядий и приствольной зоны.
Задачи исследования:
– провести обзор и анализ механизированных технологий и средств механизации по обработке почвы в садах;
– обосновать конструктивно-технологическую схему ротационной бороны для поверхностной обработки почвы в приствольной зоне, устанавливаемой на техническое средство для рыхления междурядий;
– получить зависимости, раскрывающие взаимосвязь параметров и режимов функционирования ротационной бороны со средой воздействия;
– провести экспериментальные исследования технологического процесса обработки почвы междурядий с одновременным поверхностным рыхлением приствольной зоны ротационной бороной, с целью определения ее рациональных конструктивных параметров и проверки теоретических зависимостей;
– определить экономическую эффективность применения технического средства для одновременной обработки почвы междурядий сада и поверхностного рыхления приствольной зоны ротационной бороной.
Объект исследований: технологический процесс обработки почвы в садах ротационной бороной для поверхностной обработки почвы в приствольной зоне.
Предмет исследований: зависимости, характеризующие параметры и режимы функционирования ротационной бороны и ее взаимосвязь со средой взаимодействия.
Рабочая гипотеза: совершенствование технологического процесса обработки почвы в садах, осуществляемого путм совмещения операций рыхления междурядий и приствольной зоны насаждений ротационной бороной одновременно, позволит снизить энергозатраты на обработку почвы в садах.
Научная новизна: получены зависимости, определяющие влияние конструктивных параметров и режимов функционирования ротационной бороны со средой взаимодействия на показатели технологического процесса обработки почвы в садах.
Практическая значимость: разработан технологический процесс обработки почвы в садах, позволяющий снизить энергозатраты на его осуществление, за счет совмещения операций рыхления междурядья и приствольных зон ротационной бороной, защищенный патентом РФ №125013.
Связь темы диссертации с планом научно-исследовательских работ.
Исследовательская работа проводилась в период с 2013 по 2018 годы в соответствии с планом НИР ФГБНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хо-
5 зяйства» по теме «Установление закономерностей изменения конструктивно-технологических параметров новых рабочих органов для энергосберегающей безотвальной обработки почвы, высева семян и удобрений в почвенно-климатических условиях южных регионов России», раздел 2 «Предпосылки к разработке конструкции рабочих органов с изменяемыми параметрами для энергосберегающей безотвальной обработки почвы». Номер Госрегистрации 114100140059, Инв. № 215011250111 (0708-2014-0004).
Методология и методы исследования. Проведенные исследования основаны на результатах анализа научно-технической литературы. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений математики, физики и теоретической механики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях с использованием общепринятых и частных методик в соответствии с действующими ГОСТами, а также с использованием общепринятых методик планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Усовершенствованный технологический процесс обработки почвы в саду.
-
Зависимости параметров и режимов работы ротационной бороны для поверхностной обработки почвы в приствольной зоне.
-
Рациональные параметры и режимы работы ротационной бороны для поверхностной обработки почвы в приствольной зоне.
-
Показатели экономической эффективности применения ротационной бороны для поверхностной обработки почвы в приствольной зоне.
Достоверность результатов работы подтверждена положительными результатами экспериментальных исследований ротационной бороны, а также сходимостью теоретических зависимостей с экспериментальными.
Апробация результатов:
Основные положения работы доложены и одобрены на: VII Международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука в сфере АПК: инновации, достижения» (г. Зерноград 2012 г.); XVI Российской агропромышленной выставке «Золотая осень-2012» (г. Москва 2012 г.); Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ по ЮФО (г. Зерноград 2014 г.); Всероссий-
6 ском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ (г. Саратов 2014 г.); XIV Международной агропромышленной выставке «Золотая Нива» (г. Усть-Лабинск 2014 г.) в Губернаторском конкурсе молодежных инновационных проектов «Премия IQ года» лучший инновационный проект в сфере АПК и пищевой промышленности» (г. Краснодар 2015 г.); Международной научно-практической конференции. «Концепции фундаментальных и прикладных научных исследований» (г. Уфа 2016 г.); Всероссийской конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар 2016 г.); II International scientific conferential: «CONSERVING SOILS AND WATER» (Burgas, Bulgaria 2017); Международной школы конференции молодых ученых «Наука и молодежь: фундаментальные и прикладные проблемы в области селекции и генетики сельскохозяйственных культур» (г. Зерноград 2017 г.); ХХI международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» (г. Ростов-на-Дону 2018 г.)
Вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад автора состоит в сформулированной гипотезе, основанной на анализе литературных источников, теоретическом обосновании параметров ротационных борон, разработанной и изготовленной лабораторно-полевой установке, проведении эксперимента, апробации результатов исследования. Автором выполнена обработка и интерпретация экспериментальных данных, сформулированы научные положения.
Реализация результатов исследований. Ротационная борона прошла производственную проверку и внедрена в ОАО КСП «Светлогорское» (с. Светлогорское, Абинский район, Краснодарский край). Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Кубанского ГАУ.
Публикация результатов исследования. Основное содержание работы опубликовано в 12 научных работах, в том числе 2 работы в изданиях из перечня ВАК, 2 патента РФ на изобретение, 2 свидетельства о государственной регистрации для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 154 наименований и
приложений. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста и включает 62 рисунка и 19 таблиц.
Анализ технических средств для обработки почвы в рядах плодовых насаждений
В рядах садов почвообработка выполняется в зонах обхода штамба дерева и непосредственно между деревьями. В этом случае под рядом понимается не линия, а зона определенной ширины с находящимися в ней деревьями. Зона формируется при закладке сада и видоизменяется по мере роста плодовых насаждений [35, 81, 82, 83]. В садах почвообработка выполняется машинами и агрегатами в междурядьях: плугами, культиваторами, боронами, а в рядах: фрезами, выносными секциями борон и культиваторами.
Классификация машин и агрегатов для обработки почвы в садах [61, 96] показаны на рисунке 1.1.
Машины и агрегаты по способу почвообработки приштамбовой зоны в садах можно разделить на содержащие бесприводные (пассивные) и приводные (активные) рабочие органы с вертикальной или горизонтальной осью вращения (рисунок 1.1). По способу управления эти машины и агрегаты делятся на 2 группы:
- полуавтоматические;
- автоматические.
К первой группе можно отнести культиватор фрезерный навесной КФН-2, фреза садовая навесная для обработки ряда НФС-1,4 [134]. При почвообработки ряда секции управляются человеком, находящимся на машине, который с помощью гидросистемы МТА перемещает секции агрегата между многолетними насаждениями [27].
Исходя анализа, полуавтоматические машины и агрегаты при почвообработ-ке рядов в садах экономически не эффективны, в связи с тем, что нельзя получить высокую производительность машины или агрегата, работа которого частично выполняется оператором вручную.
Исходя из этого почвобработка в садах должна проводиться автоматически. Автоматические устройства не нуждаются в дополнительном присутствии оператора для перемещения секции из ряда в ряд. Автоматические устройства подразделяются на 2 группы (рисунок 1.1):
- прямого действия;
- не прямого (косвенного) действия;
К техническим средствам прямого действия можно отнести устройство для почвообработки в приштамбовой зоне по патенту №227601 Германии [153] Аналогично работает ротационный культиватор [126, 127]. Данные технические средства не отвечают нормам по повреждениям деревьев.
Технические средства не прямого (косвенного) действия по виду алгоритма функционирования делятся на:
- программные;
- астатические;
- следящие.
К программным техническим устройствам можно отнести культиватор садовый виноградниковый КСВ-2,5 [76], устройство dеcavaillonneur «Skovema» по патенту № 2605177 Франции [150] (рисунок 1.2), Фреза “Гумус” оснащенная зубчато-реечным механизмом [93, 148].
Механический привод вышеперечисленных устройств не пригоден потому что, требует больших усилий при включении, это приводит к повреждению растения, слишком громоздкая конструкция, включающая в себя огромное число звеньев, не высокая рабочая скорость.
Гидравлический привод, применяемый на устройствах для почвообработки в садах и виноградниках исключает все недостатки механического привода, он проще в исполнении, имеет меньший удельный вес на единицу мощности, более низкие усилия при включении исполнительных механизмов и высокую скорость движения машины. Гидропривод рабочих органов широко применяется в садоводстве и виноградарстве [3, 145]. Применение гидропривода позволило повысить эксплуатационную надежность технических средств для обработки почвы в многолетних насаждениях по сравнению с техническими средствами, имеющими механический привод.
У гидравлических приводов есть так же и недостатки. Они связаны с утечкой жидкости (масла), изменением свойств жидкости при перегреве, что приводит к изменению характеристик гидропривода и т.д. Перечисленные недостатки не оказывают особого влияния на функциональные преимущества устройств с гидравлическими исполнительными механизмами.
К техническим средствам оснащенным гидравлическим устройством можно отнести культиватор садовый широкозахватный КСШ-5Б, относящийся так же к астатическим устройствам согласно классификации.
Недостатки культиватора: плохое подрезание сорной растительности, не качественное рыхление почвы в ряду плодовых насаждений при заходе исполнительного механизма в ряд [131]. После обработки культиватором остается большая необработанная зона вокруг дерева.
К устройствам с астатическим алгоритмом функционирования так же можно отнести орудия для обработки почвы по патентам №2450033 [144] Франции и №336323 Германии [151]. Астатические устройства, как и программные не имеют постоянного взаимодействия между щупом и рабочим органом, а ограничиваются только работой гидроцилиндра [16].
В связи с этим нужно устройство которое будет отслеживать нахождение рабочего органа и дерева в ряду и управлять им. Сущность функционирования такого устройства заключается в том, что движение секции напрямую зависит от движения щупа, т.е. исполнительный механизм копирует траекторию движение щупа по определенному закону.
По типу исполнительного механизма следящие устройства можно разделить на три вида:
- гидравлические;
- электрогидравлические;
- пневматические.
К гидравлическим следящим устройствам можно отнести приспособление для обработки почвы в междурядьях виноградников ПРВН-72.000 [125] (рисунок 1.3).
Недостатки, наблюдаемые при обработке почвы приспособлением ПРВН 72.000: сильный нагрев рабочей жидкости в гидросистеме, который приводит к длительным простоям агрегата, высокая энергоемкость процесса и т.д. [136].
К гидравлическим следящим устройствам также можно отнести КЭС-5 (культиватор эшелонированный садовый), устройство для подрезания сорняков в приствольных полосах плодовых деревьев ПМП-0,6 [28, 31, 54, 71, 125], культиватор H-7 «Holder» (Германия) [137] рисунок 1.4.
При обработке почвы культиватором КСГ-5 периодически выходило из строя гидравлическое следящее устройство. Как отмечает в своей работе Пархоменко Г. Г. В [82] этот недостаток был устранен в модернизированной конструкции КСГ-5 рисунок 1.6.
Исследование характера воздействия иглы с почвой
Во время работы ротационное орудие с игольчатыми рабочими органами перекатывается по поверхности почвы приствольной полосы, при этом иглы поочередно заглубляются до 8 см, тем самым осуществляя процесс рыхления, проделывая в почве определённую траекторию до момента выхода из неё, описывая в воздухе дугу и процесс повторяется (рисунок 2.8). Так как затраты энергии на деформацию пласта игла производит в период своего движения в почве [60, 66, 98], можно сделать вывод, что тяговое сопротивление рабочего органа зависит от объёма почвы, вынесенного на поверхность и физико-механических свойств почвы.
Рассмотрим случай, когда игла ротационной бороны находится на максимальной глубине в почве (рисунок 2.9).
Определение реакции почвы ql и q 2 , действующих на участке ОВ (рисунок 2.10), достаточно сложно и требует дополнительных экспериментальных исследований, поэтому при выводе теоретических зависимостей допустим, что их среднее значение подчиняется распределению усилий по закону треугольника. Следовательно, усилие на участке ОВ будет определяться по формуле [6, 10]
При определении силы сопротивления ротационной бороны пришли к выводу, что вес вытесненной почвы - есть сила ее сопротивления, а сила в свою очередь действующая на иглу с учетом физико -механических свойств и геометрии рабочего органа это произведение массы (вытесненной почвы) на ускорение свободного падения.
Рассмотрим участок, где игла при движении взаимодействует с почвой, то есть преодолевает силу ее сопротивления.
Тогда эту силу определим так:
P = pVfgf1, (2.40)
где р - плотность почвы, кг/м3;
V - объем вытесненной почвы, м3; f - коэффициент трения почвы о металл; g- ускорение свободного падения, м/с2; /1 - коэффициент трения почвы о почву.
Из анализа формулы (2.40) для определения силы, необходимо определить объем вытесненной почвы.
Для вычисления объёма тела используется в математике формула [10]:
Лунка, которая образуется в результате деформации почвы иглой ротационного рабочего органа, имеет форму, представленную на рисунке 2.13.
Схема для определения объёма лунки Форма поверхностей 3 и 4 достаточно сложная, формируется в зависимости от физико-механических свойств почв, но они будут наиболее близкими к плоскости, поэтому для упрощения вычисления объёма перейдем к средним величинам этих поверхностей (рисунок 2.14). 1– плоская поверхность; 2 – часть цилиндрической поверхности; 3 и 4 – боковые симметричные относительно друг другу поверхности, имеющие сложную выпуклую форму Рисунок 2.13 – Схема лунки
Для определения количества вытесненной почвы иглой ротационной бороны, необходимо из объёма сектора исключить призму.
Известно, что ширина лунки от воздействия рабочего органа определяется как [128]: d =2a.tg(l) + d, (2.47)
Согласно исследованиям В.П. Горячкина [21] тяговое сопротивление орудия определяется по формуле: Р = каВ, (2.49) где к - сопротивление почвы, Н/м2; а - глубина обработки, м; В - ширина захвата, м.
Полученные выражения (2.22), (2.40), (2.48) и (2.50) подставим в (2.49) и получим тяговое сопротивление ротационного игольчатого орудия.
В угол деформации почвы при образовании лунки, град; d - диаметр иглы, м; L - расстояние между дисками, м; а - угол поворота иглы, град; п - количество игл, одновременно находящихся в почве, шт.; р - плотность почвы, г/см3; / коэффициент трения почвы о сталь; g ускорение свободного падения, м/с2; fr коэффициент трения почвы по почве; V - скорость движения агрегата, м/с.
Таким образом, из анализа полученной зависимости (2.51) следует, что на изменение силы сопротивления, действующей на ротационную борону при обработке почвы наибольшее влияние оказывает диаметр иглы, диаметр игольчатого диска и глубина обработки. Рисунок 2.16 – Изменение тягового сопротивления от диаметра иглы d
Из анализа рисунка 2.16 следует, что с увеличением диаметра иглы d тяговое сопротивление орудия P возрастает. Принимаем диапазон изменения диаметра иглы d=10-30 мм.
Из анализа рисунка 2.17 следует, что с увеличением диаметра игольчатого диска D тяговое сопротивления орудия P возрастает. Принимаем диапазон изменения диаметра диска D=150-350 мм.
Методика определения силы сопротивления почвы действующей на орудия
Для определения сопротивления почвы действующей на иглу ротационной бороны, нами была изготовлена лабораторная установка (рисунок 3.1).
Установка включает в себя корпус 2 с закрепленным на нем рабочим органом 4, рукояткой 1 и опорными стойками 3.
Для оптимизации параметров рабочего органа были изготовлены сменные иглы (таблица 3.1) согласно плану полнофакторного эксперимента (таблица 3.2).
Установка работает следующим образом: опорные стойки 3 внедряются в почву, затем при вращении рукоятки 1 рабочий орган 4, закрепленный посредством сварного соединения с корпусом 2, приходит в движение. При взаимодействии рабочего органа 4 с почвой, в ней постепенно создается нарастающее напряжение сжатия. По достижении напряжения сжатия величины, соответствующей пределу прочности почвы на сдвиг, из обрабатываемого пласта выделяется некоторый объем почвы. При дальнейшем продвижении иглы пласт почвы дробится на более мелкие фракции, таким образом, происходит процесс рыхления почвы. Далее рабочий орган выходит на поверхность, затем описывает дугу и процесс повторяется.
Задачей экспериментального исследования является оптимизация конструктивных параметров ротационной бороны для обработки междурядий и приствольных полос садов. Для данных исследований использовалась экспериментальная установка, состоящая из средней части культиватора КСГ-5, для рыхления междурядий и установленных на его раму ротационных борон для обработки приствольных полос плодовых насаждений (рисунок 3.2). – культиватор КСГ-5; 2 – ротационная борона Рисунок 3.2 – Установка для определения конструктивных параметров ротационной бороны
Тяговое сопротивление культиватора КСГ-5, измерялось с помощью динамометрической рамы с тензозвеньями (рисунок 3.3) по трём точкам: двум симметрично расположенным и нижней и верхней и центральной, которые затем суммировались геометрически ввиду слабой корреляции между их составляющими [87]:
Динамометрическая рама позволяет определить горизонтальную составляющую сопротивления, приведенную к трём точкам и является переходным звеном между навесной машиной и трактором. В гнёзда динамометрической рамы монтируются тензозвенья, в которые вставляются пальцы.
Аналоговые данные с датчиков поступают в усилитель ТDА - 6, откуда по четырем каналам подаются в плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ЛА-70М-4, далее данные поступают в компьютер, что впоследствии дает возможность проводить математическую обработку [87].
Для оптимизации параметров ротационной бороны были изготовлены сменные рабочие органы (таблица 3.3) согласно плану полнофакторного эксперимента (таблица 3.4).
Задачей экспериментального исследования является проведение производственных испытаний ПСЧ-3,5 и ротационной бороны для обработки междурядий и приствольных полос садов. Для данных исследований использовался ПСЧ-3,5 для рыхления междурядий и установленных на его раму ротационных борон для обработки приствольных полос плодовых насаждений (рисунок 3.5). – плуг садовый чизельный; 2 – ротационная борона Рисунок 3.5 – Установка для проведения производственных испытаний Тяговое сопротивление ПСЧ-3,5 измерялось с помощью динамометрической рамы с тензодатчиками (рисунок 3.6) [40].
Тарирование датчиков для определения тягового сопротивления производилась на тарировочном стенде (рисунок 3.7) с помощью динамометра в 3 повтор-ностях: в начале, во время и в конце испытаний.
Каждый датчик подавал сигналы, которые усиливались и регистрировались (рисунок3.8), затем определялись тарировочные коэффициенты согласно тариро-вачных файлов. Для каждого датчика тарировочные коэффициенты вычислялись отдельно, и неоднократно.
Определение тягового сопротивления ротационной бороны
Для решения поставленной оптимизационной задачи, необходимо определить ограничения и независимые факторы и их интервалы варьирования, оказывающие наибольшую значимость на параметр оптимизации: в нашем случае, наиболее предпочтительным является минимальная сила сопротивления почвы при качественных агротехнических показателях процесса.
На основании обзора литературных источников [19, 30, 32, 34, 52, 53, 56, 59, 112, 113, 123] установлено, что наибольшую значимость на параметр оптимизации оказывают диаметр иглы d, глубина обработки а, поступательная скорость движения орудия V и угловая скорость вращения барабана игольчатых дисков со.
Примем ограничения:
- орудие движется с постоянной поступательной скоростью согласно агротребований предъявляемых к обработке почвы в междурядьях садов, а, следовательно, и угловая скорость вращения барабана игольчатых дисков будет постоянной. На данном этапе исследования скорость приняли фиксированной, т.е. нас интересует сила сопротивления, которая возникает при внедрении иглы в почву, образовании лунки и выход из нее при постоянной поступательной скорости в процессе установившегося движения;
– глубина обработки почвы в приствольных зонах определена в работе [123] и составляет 6-8 см в зависимости от сорта и подвоя, принимаем 6-8 см;
– за параметр оптимизации принимаем силу сопротивления почвы, действующую на иглу ротационного орудия. С точки зрения энергоемкости процессов она должна быть минимальной, при которой агротехнические требования, предъявляемые к поверхностной обработке, соответствуют норме.
На основании литературных источников, собственных теоретических исследований, приведенных во второй главе, и однофакторных экспериментов, проведенных предварительно, принимаем интервалы варьирования диметра иглы и глубины обработки (таблица 4.4).
План полнофакторного эксперимента для двух факторов, варьируемых на трех уровнях, таблица 3.2.
Обеспечение точности получения результатов эксперимента зависит от объема выборки.
В нашем случае объем выборки определяли по формуле [1,2,123,124].
Для проведения лабораторных исследований разработана и изготовлена установка по определению силы сопротивления почвы, действующей на иглу орудия в зависимости от глубины обработки и диаметра, (рисунок 3.1).
Эксперимент проводили следующим образом. На фиксатор-ограничитель закрепили винтами ограничительную планку, позволяющую выставить заданную глубину внедрения иглы в почву, установили иглу заданного размера принятого плана эксперимента.
Вращая ручку устройства, подвели иглу до соприкосновения с почвой и последующим приложением силы, через закрепленный на игле динамометр до окончания формирования лунки, отмечали вход и выход иглы в почву, образование лунки в почве (рисунок 4.1).
Кроме задачи по оптимизации параметров ротационного орудия с игольчатыми рабочими органами, решаемой при проведении экспериментальных исследований, так же стоит задача проверки полученных закономерностей взаимодействия иглы с почвой. Для этого, в первую очередь, необходимо экспериментально установить границы зоны деформации и форму скола почвенных элементов при рабочем ходе иглы, совершаемого при образовании лунки. Порядок работы при этом был следующий.
Игольчатое устройство устанавливали на заданную глубину внедрения согласно плану эксперимента, заглубляли в почву на установленную глубину и колышками отмечали положение центра начала зоны деформации. Затем производился рабочий проход диска, показания тягового усилия фиксировались динамометром. В конце рабочего цикла по формированию лунки, также фиксировали положение центра зоны конечной деформации по ее оси. Между колышками натягивался веревку, которой впоследствии определял линию движения центра исследуемой иглы.
Затем из образовавшейся цепочки зон деформации (рисунок 4.2 а) с помощью пневматического пробоотборника убирали частицы раздробленной почвы и замеряли координаты, определяющие положение зоны деформации. Замеряли: линейный шаг расположения зон деформации (рисунок 4.2 а), по которому расчетным путем определяли коэффициент скольжения игольчатого диска. Шаг, глубина и ширину раковин измеряли линейкой относительно оси деформации, соответственно шаг – расстояние между одноименными точками входа иглы в почву (рисунок 4.2а), глубина в точке O (рисунок 4.2 б), а ширина распространения зоны деформации в начале входа иглы в почву и через каждые 5мм до ее выхода (рисунок 4.3 а, б, в).
Объем почвы вытесненный за один проход рабочего органа игольчатого устройства собранный пневматическим почвоотборником, взвешивался на электронных весах согласно ГОСТ [25]. Затем определяли вес почвы, оказывающий сопротивление на иглу рабочего органа лабораторной установки.
Показания динамометра фиксировали кинокамерой. Силу сопротивления определили как среднюю величину за период образования лунки в почве кадровым просмотром файла через 1 секунду с фиксированными показаниями динамометра. Так как показания динамометра имеют погрешность в связи с тем, что он прикреплен не к линии действия силы Q, поэтому для определения силы действующий на рабочий орган (Q) применили уравнение моментов всех сил действующих на иглу (рисунок 4.4) и определили величину погрешности измерения
Графическая интерпретация данного уравнения дает наглядное представление о характере влияния факторов на параметр оптимизации (рисунок 4.5).
Анализируя данную поверхность, можно сделать вывод, что при величине силы сопротивления, равной 76,8Н оптимизируемые факторы оптимальные и их величины составляют:
- диметр иглы 21 мм;
- глубина обработки 73 мм.
В результате проведения эксперимента установлено, что сила сопротивления почвы, действующая на иглу ротационного орудия, увеличивается прямо пропорционально изменению величины зоны деформации, т.е. с увеличением зоны деформации сила сопротивления увеличивается до середины исследуемой лунки, затем уменьшается. При решении следующей задачи оптимизации глубину обработки принимать как исследуемый фактор не целесообразно, т.к. ее величина нами установлена экспериментально с учетом предъявляемых требований.
Исследования проводились для определения оптимальных конструктивных параметров ротационной бороны и установления соответствия выполнения технологического процесса исследуемым рабочим органом требованиям, предъявляемым к поверхностной обработке почвы при минимальных затратах энергии. Эксперимент проводили в ГНУ СКНИИМЭСХ (г. Зерноград Ростовской области).
Условия проведения эксперимента проходили по вышеизложенной методике: фон – необработанный; рельеф – ровный; микрорельеф – слабо выражен; тип почвы – чернозём обыкновенный малогумусный легкоглинистый; влажность и твёрдость характерны для зоны применения рабочих органов (таблица 4.7).
Для решения задачи по оптимизации конструктивных параметров ротационной бороны введем ограничения. Установлено, что наибольшую значимость на параметр оптимизации оказывают диаметр иглы d, глубина обработки а, поступательная скорость движения орудия V, угловая скорость вращения барабана игольчатых дисков со, диаметр диска D и расстояние между дисками L. Толщина иглы ротационного орудия и глубина обработки нами определены выше