Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1 Состояние проблемы 14
1.2 Агротехнические требования, предъявляемые к машинам для рассева минеральных удобрений 18
1.3 Неравномерность распределения и способы ее определения 20
1.4 Обзор конструкций рабочих органов для поверхностного внесения минеральных удобрений 24
1.4.1 Дисковые центробежные рабочие органы .25
1.4.2 Маятниковые рабочие органы 38
1.4.3 Метательные конвейеры 1.5 Анализ причин неравномерности распределения 41
1.6 Задачи научного исследования 49
2 ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА ПЛОТНОСТИ И НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПО ШИРИНЕ ЗАХВАТА 51
2.1 Способы управления закономерностями распределения оседания частиц удобрения 51
2.2 Классификация моделей распределения 53
2.3 Методика определения плотности и неравномерности распределения материала по ширине захвата 64
2.4 Примеры исследования качества распределения материала
по ширине захвата методом математического моделирования 66
2АЛ Модель распределения конус прямоугольного сечения тип А
2.4.2 Модель распределения кольцо треугольного сечения тип А
2.4.3 Модель распределения кольцо трапецеидального сечения тип А
2.4.4 Модель распределения диск прямоугольного сечения тип В
2.4.5 Модель распределения кольцо прямоугольного сечения тип В
2.4.6 Модель распределения диск треугольного сечения тип С
2.4.7 Модель распределения кольцо трапецеидального сечения тип Д 91
2.4.8 Модель распределения кольцо треугольного сечения тип Е 96
2.4.9 Модель распределения кольцо треугольного сечения тип АЕ 1
2.4.10 Модель распределения кольцо трапецеидального сечения тип Д 106
2.4.11 Модель распределения диск трапецеидального сечения тип А ПО
2.4.12 Модель распределения конус усеченный треугольного сечения тип АС 115
2.4.13 Модель распределения конус усеченный трапецеидального сечения тип ABC 120
2.5 Влияние угла раствора сектора модели распределения кольцо тип ABE и угла поворота оси симметрии сектора рассева на плотность и неравномерность распределения по ширине захвата 126
2.6 Влияние перекрытия и огреха на плотность и неравномерность распределения по ширине захвата 133
3 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЯМИ РСАПРЕДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ 138
3.1 Обоснование параметров центробежного аппарата 138
3.1.1 Технологический процесс работы машин типа МВУ .138
3.1.2 Кинематический режим работы 148
3.1.3 Параметры туконаправителя и лопаток 157
3.2 Обоснование параметров триммерного рабочего органа 164
3.2.1 Технологический процесс триммера. Действие триммера на частицу. Скорость вылета и дальность полета частицы 164
3.2.2 Параметры рассева. Кинематический режим. Ширина захвата 172
3.2.3 Элементы теории распределения удобрений триммерного разбрасывателя. Угол раствора сектора. Скорость и ускорения подвижной рамы триммера. Интенсивность осаждения материала из выбрасываемой струи 179
3.2.4 Интенсивность осаждения материала в секторе рассева 184
4 ВЛИЯНИЕ СКЛОНОВ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ МАШИНЫ 194
4.1 Влияние наклона машины на углы вылета струи удобрений к горизонту 194
4.2 Влияние наклона разбрасывателя на дальность полета частиц удобрения 205
4.3 Прибор для определения углов вылета 217
5 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ МАШИН ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ И МЕЛИОРАНТОВ...225
5.1 Общие сведения 225
5.2 Основы расчета интенсивности движения материала на рабочих органах машин для поверхностного внесения удобрений и мелиорантов 227
5.3 Пути интенсификации рабочих процессов машин для поверхностного внесения удобрений и мелиорантов 228
5.4 Расчет интенсивности движения материала по рабочим органам машин для внесения удобрений 230
6 ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 232
6.1 Программа и методика исследований 232
6.2 Результаты экспериментальных лабораторных исследований 2
6.2.1 Закономерности распределения удобрений из струи машины с триммерным рабочим органом 237
6.2.2 Закономерности распределения удобрений в секторе рассева и по ширине захвата 244
6.2.3 Закономерности распределение удобрений по ширине захвата при боковом наклоне машины 253
6.2.4 Закономерности распределение удобрений по ширине захвата при продольном наклоне машины 2
6.3 Результаты полевых испытаний 263
6.4 Технико-экономические показатели 269
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 276
ПРЕДЛОЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ 281
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 282
ПРИЛОЖЕНИЯ 301
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основными проблемами, стоящими перед производителями техники для внесения удобрений, являются снижение неравномерности разбрасывания удобрений, приводящей к недобору урожая и существенному перерасходу удобрений, обеспечение внесения оптимальных доз удобрений в соответствии с потребностью в них растений и максимальное уменьшение ущерба, наносимого окружающей среде. Для российских производителей машин для внесения твердых минеральных удобрений наряду с этими проблемами существует целый ряд актуальных вопросов, требующих разрешения. Среди них: слабая защищенность машин от коррозионного воздействия минеральных удобрений, предопределяющая срок их эксплуатации ниже нормативного на 50 %; разрушение гранул удобрений (17...23 %) лопатками распределяющего рабочего органа центробежного типа, что приводит к уменьшению ширины захвата и увеличению неравномерности распределения удобрений; отсутствие в конструкциях машин ветрозащитных устройств, приводящих к высокой неравномерности внесения удобрений в ветреную погоду; отсутствие в конструкциях рабочих органов устройств для углового смещения лопаток центробежных разбрасывателей (уменьшает ширину захвата и увеличивает неравномерность внесения удобрений); отсутствие электронных систем контроля и управления нормой расхода вносимых минеральных удобрений, что не позволяет осуществлять дифференцированное внесение удобрений в соответствии с содержанием их в почве и потребностями растений и др.
Анализ работы машин для внесения удобрений показывает, что процесс внесения удобрений обеспечивается дозирующими, распределяющими и рассеивающими рабочими органами. Наиболее изучено влияние конструктивных параметров и режимов работы центробежных дисков на неравномерность внесения удобрений, а по влиянию на этот параметр дозирующих и распределяющих элементов туковысевающих систем данных сравнительно мало. Равномерному распределению удобрений препятствуют как случайные, так и детерминированные причины. К наиболее существенным случайным причинам относятся колебания агрегата над экраном и снос распыленной среды ветром.
Исследования распределения удобрений в секторе рассева и по ширине захвата носят частный случай, представляющий замкнутый «кольцевой узор» «полудиск», интенсивность осаждения материала которых в продольном сечении струи либо подчиняется закону нормального распределения, либо сохраняет некоторое постоянное значение. В действительности распределение материала по ширине происходит по более сложным закономерностям, чем в вышеуказанных случаях. Для упрощения изучения и получения качественных показателей распределения по сектору и ширине захвата сложных закономерностей интенсивности осаждения материала в продольном сечении можно заменить суммой простых геометрических эпюр типичных моделей распределения .Ниже даются классификация моделей распределения материала, основы теории и расчета качественных показателей распределения на примере дискового центробежного и триммерного рабочих органов.
Актуальность выбранного научно-практического направления исследования также подтверждается соответствием данной темы разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ («Разработать научные основы развития системы технолго-технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирование эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики»), а также тематическому плану Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2001-2005 гг.
Цель работы. Установление закономерностей распределения материала по ширине захвата машины методами математического моделирования, определить пути повышения качества распределения по ширине захвата. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1 С позиций комплексного подхода провести анализ существующих методов и технических средств поверхностного внесения удобрений и разработать классификацию закономерностей распределения частиц материала по поверхности почвы, реализация которых обеспечит повышение качества рассева.
2 На основе системного подхода разработать концепцию повышения качества распределения за счет новых способов рассева.
3 Разработать теорию и обосновать технологические и конструктивные параметры машины с триммерным рабочим органом.
4 Разработать теорию и обосновать параметры машины с дисковыми центробежными рабочими органами.
5 Разработать теорию по определению углов вылета, дальности полета частиц при работе машины на склонах местности и устройство для определения углов вылета.
6 Осуществить экспериментальную проверку результатов аналитических исследований.
7 Провести проверку разработанных методов и технических средств в производственных условиях предприятий и оценить их технико-экономическую эффективность.
Объект исследований. В качестве основного объекта исследований принят технологический процесс поверхностного внесения минеральных удобрений и мелиорантов.
Предмет исследования. Закономерности плотности распределения частиц удобрения из струи.
Методы оптимизации конструкционных параметров и режимов работы технических систем, средств, применяемых в растениеводстве и их модели. Методы исследования. В процессе выполнения работы осуществлялся системный подход к исследованию, включающий критический анализ научно-технической литературы и патентные исследования, теоретические исследования и моделирование процесса распределения материала, а также производственное опробование и внедрение.
Изучение и обобщение научной проблемы произведено на базе теорий распределения с применением научных положений теории оптимизации технологического процесса и конструктивных параметров машин.
Теоретическая часть исследований базируется на закономерностях земледельческой механики и смежных агробиологических наук. При этом также использовались положения дифференциальной и аналитической геометрии, методы теории подобия и физического моделирования.
Исследования технологического процесса рассева осуществлялось с применением общетеоретических положений прикладной математики с применением апробированных методов анализа и синтеза решений, применяемых для формирования структуры и параметров новых объектов, создаваемых на уровне изобретений.
Научная новизна положений работы, выносимых на защиту:
1. Закономерности распределения материала по ширине захвата машины, а также вдоль и поперек струи, в секторе рассева, позволяющие обеспечивать требуемое качество внесения удобрений и мелиорантов, на основе современных подходов механики и учета влияния параметров туконаправителя и лопаток.
2. Классификация закономерностей распределения материала поверхностного распределения удобрений.
3. Способы управления закономерностями распределения удобрений и мелиорантов вдоль и поперек струи, в секторе рассева. 4. Метод расчета интенсивности оседания материала по ширине захвата на основе современных достижений науки с учетом влияния параметров рабочих органов.
5. Математические модели, обеспечивающие создание оптимальных сочетаний закономерностей распределения сыпучих материалов.
6. Закономерности изменения углов вылета частиц удобрений с рабочего органа, необходимые при определении дальности полета частиц с учетом влияния наклона машины, а также прибор для определения углов вылета струи (Патент №2237398).
7. Технические средства и способ для реализации управления закономерностями распределения сыпучих материалов: два типа машин, способ рассева удобрений и мелиорантов (Патент № 2229785) и (Патент № 2236776 ).
Научная значимость и новизна основных положений работы подтверждена получением 3 патентов на изобретения и способ, а также публикациями, обладающими приоритетом в постановке и решении рассматриваемых проблем.
Практическая значимость работы. Решена важная народнохозяйственная задача, позволяющая обеспечивать требуемое качество распределения удобрений и мелиорантов по ширине захвата машины на основе управления закономерностями распределения вдоль и поперек струи, в секторе рассева.
Предложенные теоретически обоснованные и практически подтвержденные решения позволяют избавиться от длительного дорогостоящего пути теоретических и экспериментальных исследований при разработке машин для поверхностного распределения материала.
Классификация закономерностей поверхностного распределения материала является научно-технической базой для совершенствования существующих и создания принципиально новых схем машин, обладающих заданными свойствами по качеству распределения, удовлетворяющих современным требованиям Агропромышленного комплекса и обеспечивает оптимальное проектирование и выбор существующих конструкций машин для поверхностного внесения.
Исследования позволили обеспечить более равномерное распределение материала по поверхности поля, в результате чего получен ежегодный дополнительный сбор урожая зерновых культур в Республике Татарстан в размере 270000 тонн. Даже при неблагоприятных погодных условиях последних трех лет в 18 различных по климатическим условиям районах Республики Татарстан прибавка урожая составила от 6 до 12,8 % в зависимости от вида и сорта культуры.
Каждый рубль, затраченный на внесение мелиорантов, окупается в виде прибавки урожая в размере 3-4 рубля.
Снижается отрицательное действие минеральных удобрений на окружающую среду; в среднем на 15,2 %;
Улучшается качество получаемой продукции за счет снижения предельно допустимых норм содержания компонентов агрохимикатов;
Прибор для определения углов вылета частиц с рабочего органа при наклонах позволяет получить существенную экономию времени, в десятки раз, по сравнению с расчетным методом.
Основные положения, выносимые на защиту:
Закономерности плотности распределения материала в секторе рассева.
Классификация поверхностного распределения материала и их моделей.
Способы управления закономерностями плотности распределения рассева сыпучих материалов.
Разработка теории и обоснование параметров машины с триммерным рабочим органом.
Разработка теории и обоснование параметров машины с центробежным диском и комбинированной лопаткой.
Разработка теории и устройства для определения углов вылета струи к горизонту.
Результаты лабораторных и полевых исследований.
Достоверность основных положений и научных выводов подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, производственными испытаниями, а также практическим использованием научно-технических разработок и рекомендаций в течение длительного времени (1967...2004гг.).
Апробация. Результаты проведенных НИР и отдельные положения настоящей работы докладывались, были обсуждены и одобрены: на Международной научно-технической конференции по теории механизмов и машин (Казань, 2003 г.); на Первом Всесоюзном научно-техническом совещании по механизации процессов применения удобрений в сельском хозяйстве (Минск, 1971 г.); на научных конференциях: Всесоюзного научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (ВИМ) (Москва, 1967-1972), Казанской ГСХА (Казань, 1967...2004 гг.); Челябинского ГАУ (Челябинск, 1970, 1992, 2002 гг.); Техническом Совете МСХ и П Республики Татарстан (Казань, 2005 г.); на заводе «Башсельмаш-Агро» (Нефтекамск, 2004 г.); Вятской ГСХА (Киров, 2004г.); Марийском ГУ (Йошкар-Ола, 2003 г.); НИИСХ Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого (Киров, 2005 г.); Татарском ИПКА (Казань, 2002 г.); Ульяновской ГСХА (Ульяновск, 2004 г.); Чувашской ГСХА (Чебоксары, 2004 г.)
Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенном заседании кафедры «Почвообрабатывающие и посевные машины» Челябинского государственного агроинженерного университета (Челябинск, ЧГАУ, 2002 г.), «Сельскохозяйственные машины» Казанской государственной сельскохозяйственной академии (Казань, 2002 г.).
Научные исследования проводились лично автором в 1967...2004 гг. Публикации. Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, внедрение разработок в производство по теме диссертации и ее основные положения нашли отражение в 40 публикациях, в числе которых: 2 монографии , 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента на способ и изобретения (№ 2236776, № 2229785, № 2237398); статья в книге 100-лет механизму Беннетта Международной научно-технической конференции по теории механизмов и машин. (Казань, 2004 г.), статья в сборнике Первого Всесоюзного научно-технического совещания по Механизации процессов применения удобрений в сельском хозяйстве. (Минск, 1970 г.), статьи в трудах: ВИМа, Казанской ГСХА, Горьковской ГСХА,
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов, списка использованной литературы и приложений Она изложена на 300 страницах основного текста, включает 66 рисунков , 14 таблиц и списка использованной литературы из 182 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ВИМа (г.Москва): д.т.н., профессору А.Н.Никифорову, к.т.н. С.Д.Сметневу, к.т.н. Ю.В.Иванову, д.т.н., профессору Московского ГАУ Р.Ш.Хабатову, д.т.н., профессору Чувашской ГСХА В.И.Медведеву, сотрудникам Казанской ГСХА: д.т.н., профессорам: П.Г.Мудрову, А.Г.Мудрову, П.И.Макарову, д.ф-м.н. Г.О.Бериму, экономисту М.А.Милюковой; профессору Татарского ИПКА Н.И.Митряеву, Т.С.Гришковой, принимавших участие в работе на различных ее этапах.
