Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и анализ конструкций культиваторов для поверхностной обработки почвы и их рабочих органов 8
1.1 Основные требования к обработке почвы 8
1.2 Анализ конструкций культиваторов для поверхностной обработки почвы 13
1.3 Рабочие органы культиваторов для поверхностной обработки почвы 19
Теоретические исследования 24
2.1 Способы механического воздействия на почву 24
2.2 Обоснование параметров стрельчатой лапы 26
2.3 Обоснование параметров пруткового катка 33
2.4 Обоснование конструктивной схемы комбинированного рабочего органа 36
Программа и методика экспериментальных исследований 41
3.1 Программа исследований 41
3.2 Методика уточнения размерных характеристик фракций почвы и влажности почвы 42
3.3 Методика определения усилия разрушения фракций почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка 45
3.4 Методика определения тягового сопротивления стрельчатых лап 48
3.5 Методика проведения полного факторного эксперимента типа 2 50
Результаты экспериментальных исследований...60
4.1 Результаты определения усилия разрушения фракций почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка 60
4.2 Результаты определения тягового сопротивления стрельчатых лап 62
4.3 Результаты проведения полного факторного эксперимента типа 2 з
5. Технико-экономическая эффективность комбинированного рабочего органа 82
5.1 Общие положения определения технико-экономической эффективности 82
5.2 Расчет технико-экономических показателей 83
5.3 Расчет производительности труда и трудоемкости 84
5.4 Расчет эксплуатационных затрат 85
5.5 Расчет дополнительной экономии 89
5.6 Расчет эффективности капитальных вложений 90
5.7 Коэффициент (индекс) доходности капиталовложений 91
5.8 Срок окупаемости капитальных вложений 92
Заключение 94
Список литературы
- Рабочие органы культиваторов для поверхностной обработки почвы
- Обоснование параметров стрельчатой лапы
- Методика определения усилия разрушения фракций почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка
- Результаты проведения полного факторного эксперимента типа
Рабочие органы культиваторов для поверхностной обработки почвы
Поверхностную обработку применяют для уничтожения сорняков и рыхления почвы без ее оборачивания при уходе за парами и подготовке к посеву. Рыхление почвы способствует накоплению и сохранению влаги и питательных веществ в форме, доступной для усвоения их растениями[39; 49; 68; 69; 81; 82].
Предпосевную культивацию проводят обычно на глубину заделки семян зерновых культур. Неравномерность глубины обработки не должна превышать ±0,01 м. После культивации верхний слой почвы должен быть мелкокомковатым, а сорные растения - полностью подрезаны. Дно борозды и поверхность поля после культивации должны быть ровными. Высота гребней взрыхленного слоя не должна превышать 0,03...0,04 м, поэтому одновременно с культивацией часто проводят боронование. Рабочие органы культиватора не должны выносить на поверхность нижний слой почвы. Поверхностную культивацию следует проводить поперек предыдущей обработки или под углом к ней на скорости 2,5...3,0 м/с (9...12 км/ч). С увеличением скорости улучшается выравнивание поверхности поля и создаются хорошие условия для работы посевных машин [3; 5].
В настоящее время, несмотря на многообразие моделей культиваторов для поверхностной обработки почвы и их производителей, конструктивная схема машин остается одинаковой: несколько рядов стрельчатых лап с радиальной подвеской, секции зубовых борон, прикатывающие прутковые или пластинчатые катки[52; 53; 57; 60].
Культиваторы КСПС-4, КСПС-6 (рисунок 1.2) производства ОАО «Агропромтехника» г. Михайловск, Ставропольского края предназначены для сплошной, предпосевной обработки почвы и обработки паров с одновременным боронованием на разных типах почв при рабочей скорости до 10 км/ч. Культиваторы оборудованы приспособлением для навески секций зубовых борон. Обеспечивают рыхление почвы на глубину до 12 см с уничтожением сорняков.
По данным А.Ф. Бурбеля, А.С. Найденова предпосевную обработку почвы следует проводить бритвенными лапами на глубину 0,04...0,06 м. Культиватор типа КПС со стрельчатыми лапами по выровненной почве устойчиво идет только на глубине не менее 0,08...0,1 м. Он сильно иссушает почву, и поэтому, его нельзя применять, особенно при засушливых условиях. Недопустима грубая, комковатая поверхность посевного слоя. При севе по такой почве ухудшается качество посева, снижается полевая всхожесть семян, молодые ростки растений, упираясь в комочки, не дают всходов, приводя к изреженности посевов.
По агротехническим требованиям почвообрабатывающие рабочие органы должны создавать влагосберегающую и влагонакопительную структуру почвы (рисунок 1.3). Верхний слой рыхлый, средний -уплотненный, нижний - плотный.
Такое состояние почвы обеспечивает подвод и сохранение влаги в зоне питания растений. Кроме того, должна обеспечиваться выравненность поверхности почвы для уменьшения площади испарения влаги [12].
Кроме того, стрельчатые лапы соединены с рамой радиальной, двухзвенной подвеской. Поэтому при наезде колес на бугорки лапы становятся на пятку и выглубляются, во впадины - на носок и заглубляются, создавая невыровненное семенное ложе (рисунок 1.4).
Широкозахватный культиватор комбинированный скоростной ШККС-8; 10; 12; 14 (рисунок 1.5) предназначен для сплошной предпосевной и паровой обработки почвы, уничтожения сорной растительности с максимальным сокращением стерни и других пожнивных остатков на полях, обработанных плоскорезными и безотвальными орудиями под посевы яровых, овощных и пропашных культур. Агрегатируется с тракторами тягового класса 30-50 кН. Культиватор представляет собой широкозахватную прицепную машину с шарнирно-секционнои рамой, с трехрядным расположением рабочих органов, с заравнивающим приспособлением в виде роторных боронок.
Пружинные зубья более эффективно крошат комки почвы, однако при засоренности поля падалицей предшественника и мелкими сорняками, слабо вычесывают подрезанную лапами растительность, а так же имеют свойство со временем «садиться», то есть подгибаться по ходу движения, становясь в этом случае бесполезными. Прутковые катки небольшого диаметра имеют ось, на которую активно наматываются подрезанные сорняки.
Культиватор паровой КП-4; 5,5 (рисунок 1.7) производства ОАО РТП «Петровское», г. Светлоград Ставропольского края представляет собой современный аналог культиватора КПС-4, выполняет те же операции, но отличается тем, что на данной машине каждый рабочий орган имеет собственную пружину-стабилизатор и жестко крепится стремянками к раме культиватора, в то время, как на КПС-4 стойка лапы жестко крепится к подпружиненному грядилю. Вместо зубовых борон так же установлена борона с пружинным зубом и прикатывающие прутковые катки.
Стрельчатая лапа является на данный момент самым распространенным режущим органом культиваторов. Она выполняет две функции: подрезание сорных растений и рыхление почвы. Также при ее работе происходит смещение подрезанного пласта, что исключает приживаемость подрезанных сорняков.
Однако, при работе стрельчатой лапы с углом крошения, происходит оголение дна бороздки, выносится влажная почва на дневную поверхность, поверхность почвы после обработки становится гребнистой, увеличивается площадь испарения, что крайне нежелательно, особенно в засушливых районах. Эти факторы являются существенными недостатками.
Обоснование параметров стрельчатой лапы
Размерные характеристики фракций почвы, образованных в реальных условиях, определяли в трех плоскостях: длина, ширина и толщина. Фракции почвы имеют в основном овальную форму с приблизительно одинаковым соотношением длины, ширины и толщины.
Для измерения этих параметров использовали штангенциркуль типа ТТТТЩ-Т ГОСТ 24156-02 класса точности 2 (рисунок 3.1), на котором предусмотрено цифровое отсчетное устройство. Эксперимент имеет пятьдесят повторностей.
Для измерения влажности почвы, используемой при экспериментах, применялся влагомер «Эвла-С», изготовленный на базе научно-производственного предприятия «ЮгАгроПрибор» (г. Ставрополь) (рисунок 3.2). Рисунок 3.1 - Общий вид электронного штангенциркуля с цифровым отсчетным устройством типа ТТТТЩ-Т ГОСТ 24156-02
Измерения выполнялись в следующей последовательности. Влагомер подключают к сети, и в течение 10 минут выполняется холостой прогрев прибора. Затем открывают испарительную камеру и на платформу весов прибора помещают алюминиевую тарелку с двумя фильтрами из бумаги.
Далее проводят обнуление тары весов. Затем следует выполнение поверки весов. Для этого на тарелку поверх бумажных фильтров помещают мерную гирьку массой 0,01 кг, из комплекта Г-4-211,10 ГОСТ 7328-73. При помощи кнопки «изменить» на экране прибора устанавливают значение «10.00», которое соответствует массе мерной гирьки. Далее размещают исследуемую почву между слоями бумажных фильтров, для измерения достаточно 0,006 кг. Закрывают испарительную камеру. В электронную память влагомера вводят следующие параметры: «023» - режим работы, параметр нагрева - «0,90», соответствующий температуре нагрева 105С, устанавливается время измерения 10 мин. Это время позволит обеспечить полезное испарение влаги и исключит выгорание органических элементов грунта. Процесс измерения начинают нажатием клавиши «измерение», процессором фиксируется первоначальная масса навески автоматически в момент начала измерения.
Исследуемые образцы почвы разогреваются нагревательной лампой до заданной температуры. Лампа поддерживает температуру, переходя в режим периодической работы. Алгоритм работы процессора позволяет проводить измерение в режиме «реального времени». В процессе измерения на электронное табло выводится значение влажности почвы в процентах. Каждую минуту измерения, влагомер показывает увеличение влажности. Когда значение приращения попадает в диапазон от -0,02 до + 0,02 %, измерение останавливают при помощи клавиши «измерение». С помощью режима «время» уточняют требуемое время измерения, в последующих измерениях установкой параметров строго устанавливают это время, увеличенное на 20-30 %. Так например, для почвы оно составляет 10 мин. Режим «влажность образца» позволяет прибору выводить на экран измеренное значение влажности с точностью до 0,02 %[18].
Для установления элемента, который будет наиболее эффективно крошить комки почвы, необходимо определить усилие, требуемое для разрушения комков почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка.
Для определения усилия разрушения комков почвы была разработана установка, состоящая из пресса винтового 1 (рисунок 3.3), тензометрической станции KYOWA 4, датчика тензометрического силы растяжения-сжатия «DACELL» UU-K100 3 (рисунок 3.4), компьютера с программным обеспечением 5. Следует отметить, что данная тензометрическая станция с ее системой сбора данных EDX-100A имеет сертификат, удостоверяющий, что на основании положительных результатов испытаний она была зарегистрирована в государственном реестре средств измерений под № 36730-08 и допущена к применению в Российской Федерации.
Принцип работы тензометрической станции основывается на том, что при воздействии на тот или иной предмет с помощью тензометрических элементов вырабатываются электрические сигналы, которые поступают на тензометрическую станцию.
Фрагмент лабораторной установки, где смонтирован тензометрический датчик растяжения-сжатия «DACELL» UU-K100 Последовательность проведения эксперимента следующая: комки почвы укладывались на опорную пластину, при помощи пресса 1 на них оказывалось силовое воздействие, воспринимаемое тензометрическим датчиком 3. Датчик, в свою очередь, передает сигнал тензометрической станции 4, которая его обрабатывает и передает на компьютер 5, на экране которого, с помощью программы DCS-100A, получаем силограмму. Силовое воздействие оказывается до тех пор, пока комок почвы не распадется на несколько частей. При этом максимальное усилие, зафиксированное тензостанцией, и есть усилие разрушения.
Лабораторная установка состоит из почвенного канала, шкафа управления приводной станцией 5, подвижной тележки 7, на которой крепятся исследуемые стрельчатые лапы 2, барабана с тяговым тросом 4, тензометрической станции KYOWA 6; тензометрического датчика «DACELL» UU-K300 3, компьютера с программным обеспечением 7. С помощью барабана 4, осуществляется привод подвижной тележки, на который наматывается тяговый трос, прикрепленный через датчик силы растяжения - сжатия «DASELL» UU-K300 3 к тележке 1. Определение тягового сопротивления проводится при скорости движения 8 км/ч и глубине хода лап 0,04 и 0,08 м. Результаты измерения тягового сопротивления регистрируются датчиком силы и обрабатываются тензометрической станцией. Тяговое сопротивление складывается из сопротивления стрельчатой лапы и сопротивления перекатыванию тележки.
Методика определения усилия разрушения фракций почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка
Основываясь на анализе существующих схем поверхностной обработки почвы, технологических решений для их реализации, установлены перспективные тенденции развития культиваторов для поверхностной обработки почвы [17; 19; 29; 30], а также предложена и теоретически обоснована новая технологическая схема поверхностной обработки почвы, приведена конструктивная схема комбинированного рабочего органа для реализации данной схемы.
При создании предлагаемого устройства и для подтверждения полученных в ходе теоретических исследований параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа, предусматривалось проведение экспериментальных исследований.
Размерные характеристики фракций почвы, образованных в реальных условиях, определяли в трех плоскостях: длина, ширина и толщина. Фракции почвы имеют в основном овальную форму с приблизительно одинаковым соотношением длины, ширины и толщины.
Для измерения этих параметров использовали штангенциркуль типа ТТТТЩ-Т ГОСТ 24156-02 класса точности 2 (рисунок 3.1), на котором предусмотрено цифровое отсчетное устройство. Эксперимент имеет пятьдесят повторностей.
Для измерения влажности почвы, используемой при экспериментах, применялся влагомер «Эвла-С», изготовленный на базе научно-производственного предприятия «ЮгАгроПрибор» (г. Ставрополь) (рисунок 3.2). Рисунок 3.1 - Общий вид электронного штангенциркуля с цифровым отсчетным устройством типа ТТТТЩ-Т ГОСТ 24156-02
Измерения выполнялись в следующей последовательности. Влагомер подключают к сети, и в течение 10 минут выполняется холостой прогрев прибора. Затем открывают испарительную камеру и на платформу весов прибора помещают алюминиевую тарелку с двумя фильтрами из бумаги.
Далее проводят обнуление тары весов. Затем следует выполнение поверки весов. Для этого на тарелку поверх бумажных фильтров помещают мерную гирьку массой 0,01 кг, из комплекта Г-4-211,10 ГОСТ 7328-73. При помощи кнопки «изменить» на экране прибора устанавливают значение «10.00», которое соответствует массе мерной гирьки. Далее размещают исследуемую почву между слоями бумажных фильтров, для измерения достаточно 0,006 кг. Закрывают испарительную камеру. В электронную память влагомера вводят следующие параметры: «023» - режим работы, параметр нагрева - «0,90», соответствующий температуре нагрева 105С, устанавливается время измерения 10 мин. Это время позволит обеспечить полезное испарение влаги и исключит выгорание органических элементов грунта. Процесс измерения начинают нажатием клавиши «измерение», процессором фиксируется первоначальная масса навески автоматически в момент начала измерения.
Исследуемые образцы почвы разогреваются нагревательной лампой до заданной температуры. Лампа поддерживает температуру, переходя в режим периодической работы. Алгоритм работы процессора позволяет проводить измерение в режиме «реального времени». В процессе измерения на электронное табло выводится значение влажности почвы в процентах. Каждую минуту измерения, влагомер показывает увеличение влажности. Когда значение приращения попадает в диапазон от -0,02 до + 0,02 %, измерение останавливают при помощи клавиши «измерение». С помощью режима «время» уточняют требуемое время измерения, в последующих измерениях установкой параметров строго устанавливают это время, увеличенное на 20-30 %. Так например, для почвы оно составляет 10 мин. Режим «влажность образца» позволяет прибору выводить на экран измеренное значение влажности с точностью до 0,02 %[18].
Для установления элемента, который будет наиболее эффективно крошить комки почвы, необходимо определить усилие, требуемое для разрушения комков почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка.
Для определения усилия разрушения комков почвы была разработана установка, состоящая из пресса винтового 1 (рисунок 3.3), тензометрической станции KYOWA 4, датчика тензометрического силы растяжения-сжатия «DACELL» UU-K100 3 (рисунок 3.4), компьютера с программным обеспечением 5. Следует отметить, что данная тензометрическая станция с ее системой сбора данных EDX-100A имеет сертификат, удостоверяющий, что на основании положительных результатов испытаний она была зарегистрирована в государственном реестре средств измерений под № 36730-08 и допущена к применению в Российской Федерации.
Принцип работы тензометрической станции основывается на том, что при воздействии на тот или иной предмет с помощью тензометрических элементов вырабатываются электрические сигналы, которые поступают на тензометрическую станцию.
Данная тензометрическая станция обрабатывает их и с помощью программного обеспечения для записи силовых данных DCS-100A позволяет получать на экране ноутбука графики зависимостей измеряемых величин от времени. Частота всех измерений составляет 100 кГц. 1 - пресс винтовой; 2 - комок почвы; 3 - датчик тензометрический сжатия «DACELL» UU-K100; 4 - тензометр ическая станция
Последовательность проведения эксперимента следующая: комки почвы укладывались на опорную пластину, при помощи пресса 1 на них оказывалось силовое воздействие, воспринимаемое тензометрическим датчиком 3. Датчик, в свою очередь, передает сигнал тензометрической станции 4, которая его обрабатывает и передает на компьютер 5, на экране которого, с помощью программы DCS-100A, получаем силограмму. Силовое воздействие оказывается до тех пор, пока комок почвы не распадется на несколько частей. При этом максимальное усилие, зафиксированное тензостанцией, и есть усилие разрушения.
Результаты проведения полного факторного эксперимента типа
Для сравнительного анализа определялось отдельно тяговое сопротивление плоскорежущей стрельчатой лапы с углом крошения а=0 и стрельчатой лапы с углом крошения а=18. Ширина захвата каждой лапы -500 мм.
Обрабатывая сигнал от тензометрического датчика, тензометрическая станция регистрирует силу, с которой почва сопротивляется перемещению в ней рабочих органов, и представляет эту силу в виде силограммы на мониторе ПК. Полученные данные обрабатываются с помощью программы «DAS-100A».
Исследование процесса поверхностной обработки почвы комбинированным рабочим органом проводилось в полевых условиях (личное подсобное хозяйство в Шпаковском районе Ставропольского края) с 10 по 12 июня 2014 г. на обработке паровых полей (рисунок 3.8)[1; 3-5]. На основании теоретических исследований установлено, что на процесс поверхностной обработки почвы влияют три фактора: - скорость рабочего движения машины V, км/ч; - глубина обработки h, мм; - угол крошения стрельчатых лап а, град. Уровни варьирования: 1) скорость рабочего движения машины принята в пределах V = 8, 10, 12 км/ч; 2) глубина обработки h = 40, 60, 80 мм; 3) угол крошения стрельчатых лап а = 0; 9; 18. Для исследования процесса поверхностной обработки почвы необходимо провести полный факторный эксперимент типа ПФЭ 2 [14; 15; 22; 26; 84]. За критерий рационализации были взяты одни из основных показателей агротехнических требований: тяговое сопротивление машины FT, кН; степень крошения почвы на фракции 20 мм Скр, %; коэффициент вариации глубины обработки vh, %; степень выравненности поверхности почвы Ст %; степень выноса влажной почвы Се, %.
Основные факторы и уровни их варьирования для проведения эксперимента 2 в натуральном и кодированном обозначении представлены в таблице 3.1.
Опыты проведены по матрице ПФЭ 2 (таблица 3.2) в последовательности, имеющей случайный характер. Повторность опытов -трехкратная.
Каждая повторность - это один проезд агрегата по учетной делянке длиной 30 м на определенной скорости, с определенной глубиной обработки и определенным углом крошения стрельчатых лап.
Полевые исследования опытного образца культиватора КЭМС 4 в сравнении с культиватором КПС-4Г: а - агрегат в составе МТЗ-80+КПС 4Г; б - агрегат в составе МТЗ-80+КЭМС-4. С каждой учетной делянки были взяты образцы почвы для определения степени крошения, измерялась вариабельность глубины обработки (рисунок 3.9), степень выравненности поверхности поля после обработки (рисунок 3.10). Замеры степени выравненности поверхности почвы Для измерения тягового сопротивления культиватора КПС-4Г тензометрическое звено монтировалось между сцепным устройством трактора и сницей культиватора (рисунок 3.11) Рисунок 3.11- Тензометрический датчик «DACELL» установлен между сцепным устройством трактора МТЗ-80 и сницей культиватора КПС-4Г
Тензометрическая станция и компьютер через инвертор подключались к аккумуляторной батарее трактора и были установлены в его кабине (рисунок 3.12).
Тензостанция и компьютер установлены в кабине трактора Так как культиватор КЭМС-4 является навесным, то для измерения его тягового сопротивления было разработано устройство оригинальной конструкции, позволяющее разместить тензодатчик между треугольниками автосцепки трактора и навесной машины (рисунок 3.13).
По результатам эксперимента были получены уравнения регрессии в кодированном виде. После этого однородность дисперсий проверяется по критерию Кохрена, по критерию Стьюдента проверяется гипотеза значимости коэффициентов регрессии, а по критерию Фишера проверяется адекватность статистической модели.
С критерием Gp связаны степени свободы: для числителя f\ = п 1, для знаменателя 2 = N. Для заданной доверительной вероятности а по значениям fx и/2 определяется критическое значение критерия Кохрена GKP Дисперсия воспроизводимости откликов (дисперсия параметра оптимизации) определяем по формуле:
Силограмма усилия разрушения комка почвы Вначале воздействия на комок почвы происходит пластическая деформация - усилие возрастает медленно, идет вытеснение воздуха[33; 34; 77]. Как только предел пластической деформации превышен, начинается упругая деформация - резкое возрастание усилия. В момент достижения критических значений внутренних напряжений комок почвы разрушается. Таблица 4.1- Показатели усилия разрушения комка почвы стальной пластиной и ребром квадратного прутка
Усилие разрушения Единица измерения Среднее значение, Н Стандартное отклонение, Н Коэффициент вариации, % Абсолютная ошибка, Н Относительна я ошибка, % Є Стальная пластина Н 85,1 5,74 6,7 2,87 3,4 81,7/89,1 Квадратный пруток 41,6 3,55 8,5 1,77 4,2 39,1/44,5 Анализ полученных данных показывает, что среднее усилие разрушения комка почвы ребром квадратного прутка 41,6 Н значительно меньше, чем усилие разрушения стальной пластиной 85,1 Н. Этим подтверждается целесообразность установки на катке квадратных прутков. 4.2 Результаты определения тягового сопротивления стрельчатых лап
В результате проведения эксперимента были получены силограммы тягового сопротивления стрельчатых лап (рисунок 4.2).
Силограмма тягового сопротивления стрельчатых лап Зависимость тягового сопротивления стрельчатых лап от угла крошения и глубины хода приведена в таблице 4.2. Отмечено, что тяговое сопротивление предлагаемой стрельчатой лапы с углом крошения а = 0 существенно ниже, чем у стрельчатой лапы с углом крошения а = 18. Таблица 4.2 - Зависимость тягового сопротивления стрельчатых лап от угла крошения и глубины хода