Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 Анализ основной обработки почвы 13
1.2 Анализ конструкции дисковых плугов 15
1.3 Анализ силового взаимодействия дисковых орудий с почвой 22
1.4 Анализ теоретических исследований устойчивости плуга 36
1.5 Постановка проблемы. Цель и задачи исследования 40
2 Теоретические исследования устойчивости дискового плуга при его взаимодействии с почвой 42
2.1 Конструктивно-технологическая схема дискового плуга 42
2.2 Исследование устойчивости дискового плуга и обоснование параметров механизмов связи плуга с трактором 45
2.3 Силовой анализ модернизированного плуга и базовой модели в пространственной системе координат 62
2.4 Анализ силовых характеристик, возникающих на рабочем органе (сферическом диске) и стабилизирующем ноже в зависимости от глубины обработки и угла наклона нижней тяги 68
2.5 Сравнительный силовой анализ плуга 77
2.6 Силовой анализ тягового усилия, реакций на переднем и заднем колесе, опрокидывающего момента в зависимости от угла атаки а для модернизированного плуга 88
Выводы 94
3 Программа и методика экспериментальных исследований 98
3.1 Программа лабораторных исследований 98
3.1.1 Лабораторная установка 98
3.1.2 Методика проведения лабораторных исследований 103
3.1.3 Методика обработки опытных данных 106
3.2 Программа и методика полевых испытаний 111
3.2.1 Программа полевых исследований 111
3.2.2 Описание модернизированного плуга 112
3.2.3 Методика полевых испытаний 117
3.3 Методика обработки опытных данных 126
Выводы 131
4 Результаты экспериментальных исследований 133
4.1 Результаты лабораторных исследований 133
4.2 Результаты полевых испытаний 139
4.3 Результаты внедрения плуга 145
Выводы 146
5 Технология обработки почвы дисковым плугом 147
5.1 Подготовка агрегата к работе 148
5.2 Методика контроля и оценки качества работы агрегата 152
5.3 Требования техники безопасности при проведении полевых работ.. 159
Выводы 160
6 Технико-экономическая эффективность модернизированного плуга ПДН-5-25 162
7 Общие выводы 167
Литература 169
Приложения 178
- Анализ конструкции дисковых плугов
- Исследование устойчивости дискового плуга и обоснование параметров механизмов связи плуга с трактором
- Методика проведения лабораторных исследований
- Методика контроля и оценки качества работы агрегата
Введение к работе
Основой увеличения производительности труда в сельском хозяйстве является комплексная механизация, использование средств автоматики, внедрение систем машин с высокими технико-экономическими показателями. Для повышения эффективности почвообрабатывающих агрегатов требуется дальнейший рост их производительности, снижение тягового сопротивления и улучшение качества подготовки почвы [6].
Разработка технологических основ, создание и внедрение нового поколения машин и рабочих органов для обработки почвы - важная народнохозяйственная проблема.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом наметился переход к новым поколениям почвообрабатывающих машин, имеющим универсальные рабочие органы для использования в различных почвенных условиях, обеспечивающим качественное выполнение технологических процессов в широких диапазонах физико-механических свойств и режимов работы агрегатов [2].
В Российской Федерации имеется более 120 млн га пашни и на ее обработку ежегодно расходуется почти 40% всех энергетических и 25% трудовых затрат в полеводстве [6].
Обработкой почвы создаются наиболее благоприятные режимы для роста и развития возделываемых культур, а также обеспечиваются условия для посева, ухода и уборки урожая. Без высококачественной обработки почвы невозможно эффективное применение удобрений и химических средств защиты растений. Считается общепризнанным, что урожайность сельскохозяйственных культур на 25% зависит от качества обработки почвы.
Анализ развития тенденций обработки почвы в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что в настоящее время одной из важнейших операций при возделывании сельскохозяйственных культур остается отвальная вспашка [38]. Одной из проблем при возделывании сельскохозяйственных культур является вспашка тяжелых суглинистых почв с большим количеством сорной растительности на полях, выпавших из севооборота, и соломы после уборки зерновых культур.
В Рязанской области 38% земель имеют тяжелую структуру почв. Для вспашки тяжелых твердых почв предназначены дисковые плуги, обладающие большим весом.
Исследованием процесса вспашки дисковыми плугами занимались Буцолич Е.В., Василии B.C., Вершинин В.Н., Виноградов В.И., Горячкин В.П., Кленин Н.И., Сакци В.А., Канарев Ф.М., Кандауров Н.С., Кочкин Е.А., Нартов П.С., Синеоков Г.Н., Стрельбицкий В.Д., Хачатрян и др. [2, 4, 8, 10, 11,12,14,15,16, 27, 28,29, 30, 31,33, 34, 39, 40,41, 47, 57, 59, 61, 69, 72, 75, 77,78,81,82,90,91,92].
Дисковые плуги меньше подвержены забиванию сорняками, соломой и другими волокнистыми материалами. Однако дисковые плуги хуже, чем лемешные, выполняют оборот пласта. Так, если качество работы дискового плуга на старопахотных землях бывает достаточно хорошим, то при вспашке влажной, сильно задернелой почвы часть пластов оказывается заброшенной на пласты, отваленные при предыдущем проходе плуга, а часть сваливается обратно в борозду. При взаимодействии рабочего органа с почвенным пластом возникают боковые усилия, которые отрицательно влияют на устойчивую работу плуга [20].
Разработка и применение дисковых плугов на тяжелых суглинистых почвах с большим количеством растительных и пожнивных остатков сдерживается из-за недостаточности научных разработок конструкций дискового плуга. Кроме того, недостаточно изучены вопросы, касающиеся силового взаимодействия почвенного пласта с дисковым рабочим органом и в целом с агрегатом.
В связи с вышеизложенным, целью настоящей диссертационной работы является повышение качества технологии вспашки путем модернизации дискового плуга в результате установки стабилизирующих плоских ножей впереди каждого сферического рабочего органа и жестко закрепленного на раме плуга, которые обеспечивают прорезание растительных остатков, дернины, улучшают оборот пласта, заделку растительных и пожнивных остатков, стабилизируют ход плуга по глубине и устраняют боковые усилия.
Народнохозяйственное значение работы заключается в создании плуга со сферическими рабочими органами для эффективной вспашки задернелых, тяжелых суглинистых почв с большим количеством растительных остатков и снижения эксплуатационного времени по причине сбоев технологического процесса пахоты.
Анализ конструкции дисковых плугов
Отвальная обработка почвы (вспашка) - прием обработки почвы, обеспечивающий оборачивание, крошение и рыхление обрабатываемого слоя почвы с целью создания наиболее благоприятных условий для произрастания растений, полной заделки сорной растительности, пожнивных остатков, органических и минеральных удобрений [1].
Однако при отвальной вспашке, выполненной плугами общего назначения, на поверхности поля образуются свальные гребни и развальные борозды, суммарная площадь которых достигает 19,5%. На этой площади урожайность культур снижается на 30...40% по сравнению с остальной площадью поля. Для получения выровненной поверхности обработанного поля за рубежом широко применяются специальные плуги для гладкой вспашки с оборотом и без оборота пласта.
Чизельные орудия лучше, чем лемешно-отвальные плуги, способствуют сохранению и накоплению влаги в почве, предотвращают развитие водной и ветровой эрозии, обеспечивают гладкую вспашку без образования гребней и борозд [38].
Разработка технологических основ создания и внедрения нового поколения машин и рабочих органов для обработки почвы - важная народнохозяйственная проблема. Это подтверждается во-первых тем, что качество обработки почвы во многом определяет повышение урожайности полевых культур (по данным агрономической науки повышение урожайности возделываемых культур на 25% зависит от обработки почвы) и во-вторых тем, что обработка почвы - самая трудоемкая и энергоемкая операция в полеводстве. На выполнение ее в настоящее время приходится около 40% энергетических и 35% трудовых затрат от всего комплекса полевых работ при возделывании и уборки сельскохозяйственных культур.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом наметился переход к новым поколениям почвообрабатывающих машин, имеющих универсальные рабочие органы для использования в различных почвенных условиях, обеспечивающих качественное выполнение технологических процессов в широких диапазонах физико-механических свойств почв и режимов работы агрегатов [2].
Создаются машины различной ширины захвата. В целом новое поколение почвообрабатывающих машин должно иметь блочно-модельные конструкции с более высокими технико-экономическими показателями. Для этого необходимо определение параметров как самих рабочих органов, так и почвообрабатывающих машин и агрегатов в целом [2].
Анализ развития тенденции обработки почвы в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что в настоящее время одной из важнейших операций при возделывании сельскохозяйственных культур остается отвальная вспашка, роль которой в земледелии будет существенной и в перспективе. Поэтому необходима дальнейшая работа по совершенствованию почвообрабатывающих машин отвального типа [2].
Второй по важности операцией является заделка растительных и пожнивных остатков. Однако и рабочие органы, и технологические схемы существующих машин и орудий для вспашки не отвечают современным требованиям ни по агротехнике, ни по энергетике.
Вспашка обеспечивает оборачивание пласта, крошение и перемещение почвы, заделку пожнивных остатков и органических удобрений. При обороте пластов, питательные вещества перемещаются с поверхности поля в нижние слои пахотного горизонта.
С агротехнической точки зрения благоприятно также перемещение верхнего слоя, на котором находятся солома, пожнивные остатки на место нижнего. В результате гниения почва получает большое количество питательных веществ, что приводит к резкому увеличению урожайности и восстановлению структуры почвы. Солома содержит всего около 15 % воды и примерно на 85 % состоит из органического вещества, причем очень ценного для повышения плодородия почвы. Целлюлоза, пентозаны, гемицеллюлоза и лигнин (до 80 %) являются углеродистыми энергетическими материалами для почвенных микроорганизмов. Это основной строительный материал для синтеза гумуса почвы. В соломе также имеется 1...5% протеина, 0,7.. .2,0 % декстрина и всего 3...7% золы.
Состав органических веществ соломы содержит все необходимые для растений питательные вещества, которые микроорганизмами почвы минерализуются в легко доступные формы. По данным В. Бергмана (1966), в 5 тонных соломы содержится 20..35 кг азота, 5...7 кг фосфора, 60...90 кг калия, 10... 15 кг кальция, 4...6 кг магния, 5...8 кг серы и различные микроэлементы (25 г бора, 15 г меди, 150 г марганца, 2 г молибдена, 200 цинка, 0,5 кобальта). Причем в соломе микроэлементов больше, чем в зерне тех же культур. В структуре посевных площадей зерновые злаковые культуры являются ведущими, а пшеница среди них - главная культура. Все это указывает на высокую ценность соломы, как источника самых различных органических и минеральных веществ для почвы и растений [2].
Исследование устойчивости дискового плуга и обоснование параметров механизмов связи плуга с трактором
Теоретическое обоснование положения навески трактора и плуга позволяет до конца решить вопрос равномерности заглубления всех корпусов плуга. Для выбора рациональных параметров положения навески трактора и подвески плуга применяется аналитический метод исследования. Он заключается в определении линейных и угловых координат звеньев механизма в виде аналитических выражений. Для определения параметров механизмов связи орудия с трактором и влияния изменения этих параметров на устойчивость хода плуга по глубине при действии на плуг различных возмущений рассмотрим плоскую схему агрегата. Силы, действующие на корпус плуга, приводятся к главному вектору и главному моменту. Для обеспечения устойчивости плуга необходимо использовать регулировки геометрии механизма навески, т.е. изменения направления линии тяги. При этом устойчивость плуга достигается за счет передачи части веса трактора на плуг (опорное колесо). Следовательно, необходимым условием работы плуга на заданной глубине является наличие реакции почвы на опорном колесе, R ZK 0. Это условие не является достаточным для устойчивой работы плуга на заданной глубине. При резком изменении сопротивления на корпусах плуга, возникающем при изменениях плотности почвы, а также профиля поверхности поля, сопротивление корпусов может принимать различные значения, даже менять направление, и поэтому значение R ZK 0 может быть недостаточным.
Для устойчивой работы плуга необходимо иметь реакцию на опорном колесе R ZK такой величины, которая бы при колебании сопротивления лишь иногда была бы равна нулю, то есть частота нулевых значений была быминимальна.
Изменение этих колебаний определяется из агротехнических условий колебаний глубины вспашки.
Нагрузка на опорное колесо должна, с одной стороны, обеспечивать устойчивость хода плуга, с другой - его экономичность. Если R ZK очень большая, плуг будет идти по глубине устойчиво, но при этом он будет неэкономичен из-за увеличения сопротивления перекатыванию колеса. М ск =8RZK / которая является одним из составляющих членов уравнения, где/- коэффициент трения качения, м; в - угол поворота диска.
Установлено, что на поле из-под пропашных культур (кукуруза, подсолнечник) при многократных междурядных обработках R ZK = - 500...-550 кГс; из-под пшеницы, укатанной колесами комбайна на уборке R ZK = 360...460 кГс; на поле из-под суданской травы, по которому перемещались при уборке лишь легкие сеноуборочные агрегаты, Д2А: = 200кГс[6].
В. результате проведенных исследований были сделаны выводы, что величину реакции на опорном колесе навесного плуга можно регулировать изменением положения его МЦВ (мгновенного центра вращения) [6]. Такая регулировка возможна в том случае, когда центральная тяга навески трактора находится в двух крайних положениях (плуг находится не в плавающем положении). Центральная тяга выполняет роль жесткого звена. Полученное значение МЦВ плуга находится между осями передних и задних колес трактора. По высоте положение МЦВ плуга находится ниже центра тяжести трактора. При таком расположении МЦВ плуг работает устойчиво не только на ровных, но и на неровных участках.
Навесные плуги имеют более тесную связь орудия с трактором, чем прицепные. Связь эта определяется взаимным расположением продольных (верхней и нижней) тяг относительно плуга и трактора. Поэтому при выборе оптимального расположения МЦВ плуга в продольно-вертикальной плоскости необходимо определить рациональное направление нижней тяги. Значение нагрузки в верхней тяге может колебаться от 1800 до 700 кГс в зависимости от угла наклона ее к горизонтальной плоскости. Такое колебание делает работу плуга неустойчивой, и вызывает чрезмерное напряжение в соединительных деталях орудия и трактора. Поэтому проблема определения рационального положения МЦВ плуга не может быть решена без определения угла наклона нижней тяги к горизонтали. Нижняя и верхняя тяги находятся в прямой зависимости, так как в навеске представляют собой замкнутый векторный контур.
Определение углов наклона тяг ведем в следующем порядке [55]: изобразив промежуточное положение структурной схемы исследуемого механизма (рисунок 2.3) и выбрав координатную систему (начало координат связываем со стойкой начального звена), все звенья механизма, включая и стойку, заменяем векторами произвольного направления.
Методика проведения лабораторных исследований
Подготовка к работе плуга включает проверку геометрической схемы, правильность сборки и технического состояния плуга, расстановку рабочих органов, на плуге, настройку агрегата на заданные условия пахоты [58].
Для проверки геометрической схемы и правильности сборки трактор с плугом заезжает на регулировочную площадку, удобно пользоваться площадкой размером 9x14 м [5].
Разметка регулировочной площадки выполняется белой и цветной эмалью марки ЭП 5115 или металлической сеткой, вдавленной в залитый заподлицо бетон [5, 22, 25]. Ее осуществляют рабочие машинного двора во главе с заведующим. Линии разметки представляют геометрическую схему расположения рабочих органов и поэтому должны иметь ширину с учетом допускаемых отклонений на их расположение, предусмотренных технологическими требованиями. Рабочие органы расставлены правильно, если в рабочем положении машины находятся в горизонтальной плоскости на линиях разметки (в зоне закрашенной поверхности).
Регулировки на площадке осуществляются слесарем-регулировщиком под руководством заведующего машинным двором или отделением. Слесари должны пройти аттестацию комиссии возглавляемой главным инженером, инженером по эксплуатации МТП или по сельскохозяйственным машинам.
Линии наносятся в левом углу площадки. Толщина линий: продольных -10, поперечных - 30, осевой линии для плугов всех марок - 10 мм.
Элементы рамы проверяют на изгиб и скручивание. При проверке на изгиб, разность расстояний от их концов до площадки не должна превышать 10 мм [18, 37, 60]. Машины со скрученными или погнутыми элементами рамы, определенными с использованием уровня, отвеса и линейки или угломера, эксплуатации не подлежат. При отсутствии изгибов и скручиваний рамы проверяют расположение корпусов на раме плуга в соответствии с разметкой: дисков плуга. Если корпуса опираются лезвиями дисков на площадку или зазоры между лезвиями дисков и площадкой составляют не более L5 мм, то он допускается к эксплуатации и подлежит настройке и регулировке. У навесных плугов она осуществляется при горизонтальном положении рамы, устанавливаемой центральной тягой и боковыми раскосами навески трактора, подъемом опорного колеса с помощью регулировочного винта на высоту, равную глубине вспашки, делаются метки белой краской за вычетом величины утопання колеса в почву (20...30 мм) [5, 14, 53]. Лезвия отрезных дисков должны находиться от лезвия основного корпуса по высоте на расстоянии 60...80 мм. Полевой обрез отрезного диска и дискового корпуса должны совпадать. Допускается отступание первого в сторону на 5...10мм.
Каждый сферический диск устанавливают под углом а = 45 к направлению движения плуга. Отклонения угла больше чем ± 3 необходимо устранить путем поворота крепления стойке к раме плуга. Плоские отрезающие дисковые ножи, жестко закрепленные на раме плуга, плоскость которых повернута на 2-3 в сторону непаханого поля (по часовой стрелке), устанавливают перед сферическими дисками, на расстоянии, обеспечивающем совмещение следов рабочих кромок плоского и сферического дисков. Размеры и углы контролируют с помощь линейки и угломера. Форму и размеры дисков контролируют по шаблону, сделанному из фанеры подготовленному по новому диску, толщина шаблона 2-3 мм. Подготовка плуга к работе осуществляется по технологической карте (приложение В). Состав учета агрегата и выбор режима его работы производится по среднему для данного класса удельному сопротивлению почвы [5,14]. Однако, действительная величина удельного сопротивления на одном поле или районе, а также на разных полях с одинаковым типом почвы и агрофоном значительно отклоняется от средней в сторону увеличения или уменьшения [5,22, 37]. Опытным путем установлено, что агрегат только 50-70% времени работает на основной рабочей передаче установленной по среднему удельному сопротивлению [51]. Остальные 30-50 % времени, в связи с изменяющимися условиями работы, тракторист работает на низшей или высшей передаче, т.е. маневрирует передачами. Переход на низшую передачу при возросшем удельном сопротивлении, изменении рельефа, переезда через препятствие является вынужденным и не требуется специальных указаний. Выбор же момента переключения на высшую передачу, при отсутствии на тракторе указателя загрузки затруднен и в большей степени зависит от квалификации тракториста. Для тракторов, не имеющих устройства для переключения передачи без остановки агрегата, должен быть произведен расчет минимального пути, при котором целесообразно маневрирование передачами [25].
Методика контроля и оценки качества работы агрегата
При определении глубины заделки растительных остатков проводят поперечный разрез пашни на полную глубину вспашки [14, 21, 27, 60]. Устанавливают горизонтально на поверхности пашни планку 1 до 3-х метров по шкале вертикально установленного на планке глубиномера 2, определяют глубину заделки растительных остатков 3 (рисунок 5.5).
Глубина заделки растительных остатков должна быть не менее 80% от глубины вспашки [5,14, 60]. 9. Слитность пахоты характеризует отсутствие следов прохода агрегата. Поверхность вспаханного поля должна быть ровной. Контроль производится визуально. Слитность считается хорошей, если на контрольной делянке невозможно определить, за какое количество проходов агрегата она была обработана. Агротехническую оценку качества работы проводят в соответствии с ОСТ по всем показателям, характеризующим качество вспашки (Приложение В) [14,25,27, 60]. К работе с пахотными агрегатами допускаются механизаторы не моложе 17 лет, прошедшие инструктаж по безопасным приемам работы, знающие их устройство, регулировки и правила обслуживания за ними и прошедшие медицинское свидетельствование. Работать разрешается на машинах технически исправных, отрегулированных, полностью укомплектованных приборами, ограждениями, инструментами и приспособлениями [23, 54, 55, 58]. На каждом агрегате должен быть запасной комплект исправного инструмента, аптечка первой медицинской помощи, огнетушитель. При работе в ночное время агрегат должен быть обеспечен достаточным и надежным освещением. Перед началом движения агрегата механизатор должен убедиться в безопасности действий и подать сигнал. Крутые повороты агрегатов следует осуществлять на пониженной скорости, а на склонах более 6 скорость движения не должна превышать 5 км/ч. При переездах и поворотах агрегата необходимо соблюдать большую осторожность, чтобы не задевать находящиеся поблизости предметы. Тормозные устройства тракторов, особенно колесных, необходимо содержать в исправном состоянии. Длина тормозного пути колесных тракторов при скорости движения 20 км/ч на сухом горизонтальном участке с асфальтовым покрытием не должна превышать 7 м. Передвижение тракторных агрегатов и их работа должны проводиться в соответствии с рабочими планами и утвержденными маршрутами переездов. Техническое обслуживание, осмотры, регулировку и очистку орудий и механизмов следует проводить во время остановки агрегата и при заглушённом двигателе [23, 58]. 1. Для обеспечения высокопроизводительной работы агрегата в составе трактора и плуга ПДН-5-25, следует разбить поле на загоны в соответствии с условиями работы, размерами и конфигурацией поля, учитывая противоэрозионные условия. 2. Настройка агрегата с дисковым плугом аналогична настройке агрегата с лемешным плугом, однако отличие заключается в том, что правые колеса должны идти по дну борозды. 3. Проверку технического состояния плуга следует проводить на регулировочной площадке с нанесенной на ней разметкой (рисунок 5.2). 4. Агрегатирование трактора Т-150К с плугом ПДН-5-25 происходит со смещением навески трактора на 150 мм влево, при этом правое колесо трактора идет по дну борозды. 5. Для уменьшения тягового сопротивления плуга и улучшения перерезания растительных остатков производится настройка отрезающих ножей, до совмещения (совпадения) следа ножа и сферического диска. 6. Расстояние между ножом и диском должно соответствовать условию незабиваемости растительными остатками. 7. Для создания усилий, компенсирующих «бочение» плуга, плоские ножи устанавливаются под углом 2-5 град. 8. Для обеспечения качественной обработки задернелых, тяжелых суглинистых почв с большим количеством растительных остатков оценку качества пахоты следует производить по следующим показателям: отклонение глубины вспашки, полнота заделки растительных остатков, гребнистость поверхности, глыбистость, слитность пахоты, а также отсутствие огрехов. 9. Комплексная оценка качества вспашки производится по балльной системе, которая учитывает значимость факторов и позволяет наиболее объективно оценить труд механизатора и настройку плуга.
Похожие диссертации на Совершенствование плуга с дисковыми рабочими органами для задернелых тяжелых почв
