Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Технологическое обоснование выбора орудия и рабочих органов для основной глубокой обработки почвы 9
1.1.1 Технология отвальная обработки почвы 16
1.1.2 Технология безотвальной обработки почвы 18
1.2 Анализ конструкций и классификация рабочих органов для основ ной глубокой обработки почвы 20
1.2.1 Орудия с модульными рабочими органами 22
1.2.2 Патентный анализ рабочих органов для послойной обработки почвы
1.3 Обзор теорий рыхления почвенного пласта 32
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 38
2 Теоретические исследования снижения энергетики технологического процесса основной обработки почвы с обоснованием конструктивно технологической схемы комбинированного рабочего органа 41
2.1 Разработка энергосберегающего технологического процесса основ ной обработки почвы 41
2.1.1 Анализ возможных комбинаций отвальной и безотвальной техно логий основной обработки почвы разрабатываемого рабочего органа 41
2.1.2 Обоснование технологической схемы и параметров обработки почвы комбинированным рабочим органом 47
2.2 Разработка комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа 48
2.3 Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа 50
2.4 Тяговое сопротивление исследуемого рабочего органа
2.5 Площадь рыхления почвы комбинированным рабочим органом 62
2.6 Моделирование силовых параметров с обоснованием конструктивных элементов разработанного рабочего органа 67
2.7 Выводы по разделу 69
3 Программа и методика экспериментальных исследований 70
3.1 Планирование факторного эксперимента 70
3.2 Методика определения основных физико-механических характеристик обрабатываемой почвы 73
3.3 Методика определения силовых воздействий на рабочий орган. 77
3.4 Методика обработки результатов экспериментальных исследований и оценка погрешностей измерений 83
4 Результаты экспериментальных исследований 84
4.1 Результаты многофакторного эксперимента 84
4.2 Результаты экспериментальных исследований энергетических показателей работы элементов модернизированного рабочего органа 88
4.3 Результаты исследования компьютерного моделирования силовых параметров, с обоснованием конструктивных элементов исследуемого рабочего органа 93
4.4 Качественные показатели обработки почвы 97
4.5 Анализ результатов приемочных испытаний исследуемых рабочих органов на МИС 104
4.6 Выводы по разделу 107
5 Исследование эффективности применения плуга с разработанными комбинированными рабочими органами и его экономическая оценка .. 110
5.1 Результаты полевых исследований по выявлению энергетической эффективности применения экспериментальных рабочих органов 110
5.2 Расчет экономической эффективности применения плуга с разработанными рабочими органами 111 Выводы по разделу 115
Заключение
Список условных обозначений
Список литературы
- Технология безотвальной обработки почвы
- Анализ возможных комбинаций отвальной и безотвальной техно логий основной обработки почвы разрабатываемого рабочего органа
- Методика определения основных физико-механических характеристик обрабатываемой почвы
- Результаты исследования компьютерного моделирования силовых параметров, с обоснованием конструктивных элементов исследуемого рабочего органа
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Главной задачей обработки почвы в современном земледелии ставится применение ресурсосберегающих технологий для сохранения и повышения ее плодородия. Наиболее трудоемким считается процесс отвальной вспашки, поэтому его часто заменяют дискованием и культивацией, выбирая менее энергоемкую технологию обработки почвы. В результате этого, при работе орудий не по всей глубине пахотного горизонта, в нем происходит переуплотнение нижележащих (незатронутых) слоев. Впоследствии нарушается водно-воздушный режим корнеобитаемого слоя, где произрастают культурные растения, осложняя условия для нормальной жизнеспособности почвооб-разующих микроорганизмов. Все это, в комплексе, приводит к снижению плодородия почвы, засоренности посевных площадей и сокращению урожайности сельскохозяйственных культур.
При выполнении операции отвальной вспашки несколько улучшается плодородие почвы, накапливаются и в последующем сохраняются запасы влаги. Благодаря обороту почвенного пласта осуществляется заделка пожнивных остатков и снижается засоренность полей. Но при глубокой обработке с оборотом раскрошенного пахотного слоя, происходит перемешивание слоев почвы, что является недостатком данной технологии.
Применение чизельной обработки, позволяет сохранить послойное расположение почвы, предотвращая эрозионные процессы и способствуя накоплению в ней гумуса. Но в этом случае происходит засорение полей и невозможно внесение органических удобрений.
В случае объединения чизелевания и отвальной вспашки в одну технологическую операцию, соблюдая агротехнические требования, появляется возможность повышения качества и эффективности глубокой обработки почвы.
Степень разработанности темы. Разработкой новых рабочих органов для основной обработки почвы и исследованием существующих конструкций занимались многие ученые: Бойков В.М., Борисенко И.Б., Василенко П.М., Ветохин В.И., Виноградов В.И., Горячкин В.П., Гуреев И.И., Гячев Л.В., Желиговский В.А., Князев А.А., Кушнарев А.С., Листопад Г.Е., Мацепуро М.Е., Панов И.М., Путрин А.С., Пындак В.И., Рыков В.Б., Саакян Д.Н., Сакун В.А., Синеоков Г.Н.,
Спирин А.П., Старцев С.В., Токушев Ж.Е., Труфанов В.В., и многие другие.
Многие из предлагаемых рабочих органов обладают рядом недостатков, связанных с большой конструкционной сложностью, металлоемкостью, ограниченностью климатических зон их применения, либо не имеют возможности работать по классической схеме.
Нами предлагается энергосберегающий технологический процесс глубокой обработки почвы и комбинированный рабочий орган для его выполнения.
Цель исследований: повышение эксплуатационно-технологических показателей почвообрабатывающего агрегата за счет совершенствования технологического процесса глубокой обработки почвы и разработки комбинированного рабочего органа.
Задачи:
-
Провести анализ возможных комбинаций объединения чизельной и отвальной технологий глубокой обработки почвы;
-
Усовершенствовать технологический процесс глубокой обработки почвы и разработать комбинированный рабочий орган;
-
Теоретически обосновать конструктивную схему и параметры комбинированного рабочего органа для глубокой обработки почвы.
-
Провести экспериментальные исследования усовершенствованного технологического процесса глубокой обработки почвы.
-
Исследовать эффективность использования плуга с комбинированными рабочими органами в хозяйственных условиях и дать экономическую оценку его применения.
Научная новизна заключается в совершенствовании процесса глубокой обработки почвы за счет совмещения чизельной и отвальной технологий с обоснованием конструктивно-технологической схемы комбинированного рабочего органа для его выполнения. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2502250.
Теоретическая и практическая значимость работы. Обоснованы технологический процесс глубокой обработки почвы и конструктивная схема комбинированного рабочего органа для его осуществления. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию модульной конструкции и параметров ресурсосберегающего комбинированного рабочего органа. Дана экономическая оценка эффективности использования плуга с комбинированными ра-4
бочими органами в хозяйственных условиях. Производство комбинированного рабочего органа освоено на ОАО «Волгоградский электромеханический завод» г. Волгограда.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе методов оптимизации, планирования факторного эксперимента, методик определения физико-механических характеристик почвы, силовых воздействий на рабочий орган. Обработка результатов экспериментальных исследований и оценка погрешностей проводились на ЭВМ с соответствующим программным обеспечением.
Положения, выносимые на защиту:
1. Усовершенствованный технологический процесс глубокой обработки
почвы;
2. Конструктивно-технологическая схема комбинированного рабочего ор
гана;
3. Аналитические зависимости, определяющие оптимальные параметры
нового комбинированного рабочего органа и технологического процесса глубо
кой обработки почвы;
4. Результаты эффективности использования плуга с комбинированными
рабочими органами в хозяйственных условиях.
Степень достоверности и апробация результатов.
Подтверждение степени достоверности основных положений, рекомендаций и выводов обоснованно теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторно-полевых условиях с использованием программ на ЭВМ, выявленными положительными результатами в производственных опытах, разработкой и внедрением в производство на сельскохозяйственных предприятиях плуга ПЛН с комбинированными рабочими органами. Изготовленные макетные образцы прошли испытания в ФГБУ Северо-Кавказской МИС, Зерноград Ростовской области. Результаты исследований по теме были представлены на Международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ» (2012…2015 гг.), в конкурсе стипендиальной программы «ЭкоНива – Студент» компании ООО «ЭкоНива – АПК Холдинг» (2014 г.). Получен сертификат участника в 9-й международной конференции «Развитие науки
в 21 веке» и медаль выставки за разработку «Инновационные технологии и тех-5
нические средства для вертикальной обработки почвы в условиях сухого земледелия». Имеются дипломы выставок Нижнего Поволжья.
По материалам исследований опубликовано 14 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ № 2502250 от 27.12.2013г. Рабочие органы внедрены в хозяйства Волгоградской области: ИП главы «КФХ» До-ценко Е.Н. на площади 520 га, ООО «Шаповалов» на площади 920 га.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, пяти глав основной части, заключения, списка условных обозначений, списка литературы, списка иллюстративного материала и приложения.
Работа представлена на 166 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, и 76 иллюстраций, 10 приложений. В списке литературы 116 источников. Общий объем опубликованных работ составляет 8,66 п.л., из них 4,49 п.л. принадлежит автору.
Технология безотвальной обработки почвы
В варианте 3 – переуплотнен только верхний слой почвы, а нижележащий находится в состоянии оптимальной плотности (рисунок 1.1-3).Такое распределение плотности обычно является результатом техногенного воздействия на верхний слой (уплотнения ходовой системой обрабатывающей техники, большими нормами полива и распыления верхнего слоя почвообрабатывающими орудиями). Данные обстоятельства необходимо учитывать при подборе культур в севообороте.
На таких полях до оптимальной плотности доводится только верхний переуплотненный слой. Глубина обработки устанавливается в зависимости от величины уплотненного слоя, с применением поверхностной и минимальной обработок почвы.
По варианту 4 – в состоянии оптимальной плотности находится верхняя часть пахотного горизонта, а нижней его части требуется доведение уплотненного слоя почвы до состояния оптимальной плотности (рисунок 1.1-4). Основное механическое воздействие необходимо совершать не на весь пахотный, а на нижележащий уплотненный слой. Данная операция осуществляется с помощью чизель-ных рыхлителей. Данному распределению плотности по глубине предрасположены каштановые (темные и светлые) почвы.
Способ и глубина обработки в данной ситуации определяется сложением плотности почвы по ее горизонту и глубине. Наука рекомендует машинные технологии формировать с учетом критерия различия и последействия технологического процесса, как в севообороте, так и в учете сортовой технологии, т.е. во времени и пространстве.
Изучение влияния плотности почвы на ее плодородие показало, что оптимум для большинства сельскохозяйственных культур на различных почвах находится в пределах 1,1-1,3 г/см3 . Оптимальная плотность должна быть дифференцированной по глубине пахотного слоя: сверху рыхлой до 5-7 см для яровых и озимых колосовых зерновых культур, а для крупносемянных (кукурузы, гороха, подсолнечника) до 7-10 см с плотностью этих слоев 0,98-1,04 г/см3, твердостью 0,8-1,3 кг/см2 и общей пористостью 60-63%. Ниже разрыхленных слоев для кукурузы и гороха оптимальная плотность составляет 0, 9-1,1 г/см3; яровых колосовых (ячменя, яровой пшеницы) 1,0-1,2 г/см3; озимых (пшеница, рожь) 1,1-1,3 г/см3 при общей пористости этих слоев соответственно равной 58-62; 51-58; 54-61% [54].
При уплотнении почвы нарушается ее воздухообмен, в 1,2-1,6 раза снижается выделение двуокиси углерода. С увеличением плотности почвы от 1,25 до 1,40 г/см3 уменьшается суточный прирост сухого вещества в 1,5-2 раза, а поступление в растение азота – в 1,5-1,7 раза. Фенологические и биометрические наблюдения фазы выхода в трубку показывают, что на участках с плотностью почвы выше 1,35 г/см3, а при внесении азотных удобрений более 100 кг/га растения приобретают признаки недостатка азота, проявляющиеся в светло-зеленой окраске листьев.
Философия биосферного мышления выделяет ведущее значение биологической активности почв в формировании и деятельности биосферы. Поэтому сегодня для многих ученых-аграриев биологическая активность почвы является важнейшей ее характеристикой. Увеличение плотности до 1,35...1,40 г/см3 ведет к снижению скорости разложения растительных остатков на 38...40% и, как следствие, к снижению биологической е активности и вытекающими из этого последствиями развития биоагроценоза. Данные многих экспериментальных исследований показывают, что при увеличении плотности почвы от оптимальной на 0,1…0,3 г/см3, приводит к потере урожая от 20 до 40%.
Оптимальные агрофизические параметры пахотного слоя можно придать и в дальнейшем регулировать с помощью систем зяблевой и предпосевной обработок. При полевых работах в весенний период, осуществлять поверхностную обработку комбинированными агрегатами с совмещением посева сельскохозяйственных культур, т.к. при глубокой обработке нарушается требуемое сложение пахотного слоя, что приводит к увеличению испаряющейся воды и ухудшению почвенных условий для растений.
Но наряду с агрофизическими свойствами почвы, также необходимо учитывать факторы воздействия различных обработок на пищевой, водный режим, и засоренность полей. Накопление осенне-зимних осадков основной обработки почвы в определенной степени можно регулировать способами и глубиной обработки [23, 78]. Глубина обработки способствует большему накоплению влаги на оструктуренных малоглинистых почвах. Влияние способа обработки на сохранение весенних осадков зависит от степени облесенности полей. При хорошей развитости лесополос, благодаря которым снег не сносится ветрами и располагается равномерно, весенних запасов воды остается больше на вспашке с предварительным лущением жнивья, чем после безотвальной и мелкой обработок. На полях с небольшим и неустойчивым снеговым покровом при глубоком чизелевании почвы увеличивается снегонакопление, водные запасы в метровом слое больше на 12-20 мм по сравнению с отвальной вспашкой [7].
Сохранение и расположение в верхнем слое почвы пожнивных и корневищных остатков способствуют разложению их не во всем пахотном горизонте, а в поверхностном, где происходит активация потенциального плодородия почвы. Стерня и пожнивные остатки создают благоприятные условия для накопления осенне-зимних осадков, исключают ветровую эрозию почвы, способствуют накоплению почвенной влаги.
Однако, при плохом фитосанитарном состоянии полей с постоянной безотвальной либо «нулевой» обработкой, увеличивается засоренность полей, требуя повышенных затрат на средства химической защиты, что не наблюдается при отвальной вспашке [106]. При обороте почвенного пласта питательные элементы растений распределяются равномерно в пахотном слое, а при безотвальной технологии обработки почвы значительная их часть содержится в верхнем слое до 0,1 м, что в целом улучшает питание фтором и калием всходов растений.
К сожалению, в последнее время забыли о таком эффективном агроприеме как щелевание. Этот способ обработки способствует накоплению осеннее зимних осадков, снижает повреждение от притертой ледяной корки озимых культур и повышает аэрацию почвы под многолетними травами [112]. Обобщение результатов научных учреждений позволяет сделать определенные выводы и рекомендации по вопросам глубокой обработки почвы традиционными орудиями в регионе:
Анализ возможных комбинаций отвальной и безотвальной техно логий основной обработки почвы разрабатываемого рабочего органа
Любой технологический процесс, осуществляющий механическую обработку почвы, происходит в виде взаимодействия рабочего органа с обрабатываемым материалом. Поэтому, свойства обрабатываемого материала и форма рабочего органа имеют свое влияние на характер этого процесса[60].
Изучая почву как объект, взаимодействующий с находящимися в ней рабочими органами, представляем ее в виде упругой, сыпучей, сплошной и твердой деформированными средами, определяющими в дальнейшем процесс ее обработки. В данном исследовании используются теории пластичности, упругости и подобия, методы механики сплошных сред и грунтов, твердого тела.
При воздействии рабочего органа на почву, определяющуюся как «сыпучая среда», образуется поверхность скольжения [65]. Условия разрушения при этом определяются по закону Кулона-мора, с рассмотрением сколотого «блока почвы» как абсолютно твердого тела (рисунок 1.15) [47, 81].
В связи с этим для определения прикладываемого (осевого) напряжения 1 было получено следующее выражение: аг = a3tg2 45 + -(р + 2ctg 45 + -Л (1.1) где а3 радиальное напряжение, МПа; (р - угол обрушения почвы, град.
Задача, определяющая поверхность разрушения, решается по теории предельного равновесия, не раскрывая вопросы перемещения внутри сколотого блока частиц деформации почвы. В решении задач, применяя упругую модель и основываясь на теории упругости при механической обработке, допускаем, что почва является сплошной средой с упругими и обратимыми свойствами [9, 34, 35, 59, 69, 81, 85]. В виде упругой среды модель обрабатываемого пласта рассматривали многие ученые [34, 35, 46, 60].
Огромное значение движению пласта по поверхности корпуса плуга придавал академик В.П. Горячкин, основоположник земледельческой механики [17]. Он считал, теория прочности О.Мора в большей степени приемлема для расчетов предельного напряжения состояния почвы [77]. Но с помощью экспериментальных исследований было установлено, что уравнение О.Мора усилия на сдвиг пласта, определяет только часть напряжения сопротивления резанию [81].
Шарль Кулон в 1776 г определил модель, впоследствии широко применяемую для описания разрушения сдвига при физическом ее описании. Для возникновения данного процесса ученым были установлены следующие требования: 1. Усилие сдвига должно преодолевать в плоскости разрушения сцепление почвенных частиц; 2. Усилие сдвига должно преодолевать силу трения при перемещении поверхностей относительно друг друга. Для расчетов напряжения сдвига почвы предлагалась следующая формула [69]: Т/ = с + crntg(p, (1.2) где т/- требуемое напряжение сдвига почвы, МПа; с - сила сцепления, приходящаяся на единицу площади, МПа; on - нормальное напряжение на плоскости разрыва, МПа; (р - угол обрушения почвы, град.
Зависимость изменения сопротивления разрушению почвенного пласта от геометрии рабочего органа, размеров отрезаемой стружки и скорости обработки почвы, установил Синеоков Г.Н. [82, 101].
Предположения, что процесс разрушения пласта происходит в две стадии, рассматривая почву как упругую среду, излагали Милюткин В.А., Виноградов В.И., Подскрепко М.Д. [31, 48, 77, 86]. В первой стадии в результате продольного сжатия почвенного пласта образуется горизонтальная трещина отрыва в плоскости дна борозды, а во второй она возникает от действия изгибающих моментов. Из мнения авторов следует, что в процессе разрушения почвенного пласта основную роль выполняет образование опережающей трещины, а пластические деформации, у которых скорость распространения является важным показателем, предшествуют ее появлению.
За сплошную и упругую среду, почву также принимает Мацепуро М.Е. [72], предполагая что характер ее разрушения ударный. Им были выделены упругие деформации пласта, с учетом возникновения остаточных деформаций.
Анализом физических процессов, происходящих при вспашке почвы, в своих работах [46, 47] занимался академик Желиговский В.А., установив зависимость от направления сил, приложенных к крошащемуся почвенному пласту со стороны лемешно-отвальной поверхности. Теория крошения при этом основывается на преобразовании в работу растяжения (крошения) пласта упругой потенциальной энергии сжатия почвенного воздуха.
Но наряду с этим, представление почвенной модели в виде сплошной упругой среды в полном объеме не позволяет объяснить и раскрыть многие моменты, происходящие в процессе ее обработки. Нет объяснения возникающему при этом крошению и снижению плотности почвы. Зачастую затруднено и невозможно по имеющимся дифференциальным уравнениям построение траекторий движения почвенных частиц [81].
Методика определения основных физико-механических характеристик обрабатываемой почвы
Технологический процесс работы комбинированного рабочего органа сводится к рыхлению почвы долотом 6 с последующим оборотом пласта отвалом 2. Величина оборачиваемого пласта регулируется опорными колесами плуга. Глубина обработки почвы и соответственно величина подпахотного рыхления регулируется за счет перестановки рыхлителя 5 через проставку 3 (возможна дополнительная регулировка ±0,02м за счет положения крепления проставки 3 к стой-ке1) вдоль стойки 1. Энергетика объемного рыхления от долота значительно меньше плоскостного резания лемехом. Поэтому, с учетом минимальной размерности орудия, исключения забиваемости и подпора почвой между долотом и лемехом почвой определены размеры между ними по ширине и высоте, а именно долото находится от края носка лемеха в поперечно-горизонтальной плоскости на расстоянии не более (0,3…0,5) Вл, где Вл – ширина захвата отвального корпуса, а в продольно-горизонтальной плоскости не более hч2 - (0,1… 0,2)Bл2, где hч – разница между глубинами рыхления и оборота пласта.
Такое конструктивное выполнение рабочего органа позволяет кардинально снизить тяговое сопротивление, металлоемкость и энергозатраты, повысить эксплуатационно-технологические показатели и функциональные возможности адаптации к конкретным почвенно-климатическим условиям [42].
Обосновывая конструктивную схему разрабатываемого рабочего органа, прежде всего, требуется определить расстояние между носком лемеха отвального корпуса и долотом рыхлителя. Долото создает локальное давление на пласт. На его поверхности образуется ядро-вал из уплотненной почвы выпуклой формы, срыв которого вызывает неравномерность давления, что и является источником деформации сдвига. Энергия, накапливаемая на долоте, высвобождается через разломы (трещины) в почве, сопровождается е разрушением до требуемой комковатой структуры [10]. Высвобождение энергии долота более быстротечно относительно лемеха отвального корпуса, что проявляется в виде опережающего вала вспученной почвы. Поэтому процесс чизелевания менее энергоемкий и более экологичный вследствие меньшего е удержания и накопления с сохранением в виде плужной подошвы.
С целью снижения энергозатрат зона деформации почвы lj по направлению движения не должна подпираться под лемехом. Таким образом, расстояния между носком лемеха отвального корпуса и долотом рыхлителя, определяется по формуле, и должно быть не больше [58]: L l0+lHo+h4tg(a+ p), (2.1) где 1о - длина вылета носка рыхлителя подпахотного горизонта (/#= 0,15 м); ср угол обрушения почвы; fi - угол трения почвы по материалу (сталь) рыхлителя ((pi =25 ), град. її - длина распространения зоны деформации почвы от носка рыхлителя, м; К разница между глубинами рыхления и оборота пласта; а - угол крошения от долота, град. Ширину деформации почвы от долота на глубине Я, в поперечной плоскости, можно определить по выражению: b=b!+2H tg(p, (2.2) где Ъ - ширина деформации почвы в поперечном направлении на глубине Н; Н - глубина обработки, м; Ъ\ - ширина долота рыхлителя, м; (р - угол обрушения почвы, град.
Придерживаясь гипотезы И.Б.Борисенко,[18] рассмотренная в гл. «Обзор теорий рыхления почвенного пласта», в разные стороны от источника (долота) происходит направление «выстрелов-колебаний»: 1. Вверх вперед (под углом); 2. Вбок - вправо и влево.
Отсюда следует, что при интенсивном «колебательном обстреле» пахотного слоя изнутри, сопровождающемуся вспушиванием, происходит разуплотнение «материнской» почвы. Угол естественного откоса близкой к дневной поверхности (умеренной влажности) почвы (грунта), в покое 45о [18, 87].
К обрушению почв при чизелевании приводит сочетание следующих основных факторов: 1. Спереди, по бокам долота стойки происходит разуплотнение почвы; 2. После прохождения стойки по бокам щели релаксация почвы; 3. Непрекращающийся «колебательный обстрел» долота и движение стойки, приводящий к разуплотнению почвы как перманентному процессу; 4. Характерный угол естественного откоса почвы в покое.
При таком сочетании факторов нарушается равновесие почвенных агрегатов вокруг долота стойки. Результатом (при движении агрегата) является обрушение почвы по бокам и спереди долота стойки под углом =45о. Существование этого уникального явления снижает тяговое сопротивление отвального корпуса оборачивающего взрыхленную почву от чизельного рабочего органа и способствует дополнительному рыхлению и дроблению фрагментов почвы. Учитывая данный процесс, ширину деформации от долота на на поверхности почвы(с учетом того, что tg450=1) можно определить по выражению 2.3: B=b1+2H. (2.3) На рисунке 2.10 показаны зоны деформации почвы клином рассчитываемые в продольном и поперечном направлениях: Задаваясь численными значениями, можно определить минимальные расстояния между долотом и лемехом. Подставив известные значения в выражение (2.3), можно получить зону деформации почвы по направлению движения на глубине лемеха: b 0,35 м, с шириной долота рыхлителя b1=0,06м и наименьшей разницей между глубинами рыхления и оборотом пласта hч = 0,15 м.
Результаты исследования компьютерного моделирования силовых параметров, с обоснованием конструктивных элементов исследуемого рабочего органа
Обработка данных результатов экспериментов проводилась в соответствии с методикой, изложенной в разделах 3.2-3.4 и требованиями, изложенными в ТКП 079 - 2007 (02150) СТО АИСТ 10 4.6-2003. Данные однофакторной интерпретации представлены в приложении Е1-Е6 диссертации. В зависимости от выбора технологической операции, глубины обработки и расстояния между долотом рыхлителя и лемехом, характер воздействия на почву меняется, меняется нагрузка на рабочие органы (рисунок 4.4). у = 3510,е0-175" 1356,е 198 R = 0,992
Из графиков экпериментальных данных рисунка 4.4 видно, что процесс чи-зелевания является менее энергоемким, чем отвальная вспашка, имея возможность обработки почвы на большую глубину [45]. Проведенный опыт при работе отвального корпуса на поле, предварительно обработанном чизелем на глубину 0,35-0,38 м, выявил значительное снижение тягового сопротивления отвального рабочего органа. Так при отвальной обработке почвы на 0,2м, по предварительно обработанной чизелем почве, снижение составляет в пределах 4200Н.
Полученные результаты полевых исследований показали высокую сходимость теоретических исследований. Расчетные данные проверки равенства дисперсий представлении в приложении Ж1.
На рисунке 4.5 показана зависимость нагрузки при работе экспериментального рабочего органа от изменения глубины отвала и рыхления. R = 0,958 У= 1 - У = 3517,е 172 R = 0,973 « 0,1 0,15 0,2 0,25оборот пласта, м Рисунок 4.5 – Зависимость тягового сопротивления экспериментального рабочего органа от глубины работы отвала при различном заглублении чизеля
Опираясь на данные графиков рисунка 4.5, появляется возможность сделать выбор конструктивных параметров, настраивая рабочий орган на работу в различных климатических зонах и почвах, изменяя глубину оборота и рыхления почвенного пласта.
Так же, не менее важным критерием влияния нагрузки на рабочие органы является скорость движения машинно-тракторного агрегата. На рисунках 4.6, 4.7 и 4.8 представлены графики зависимости нагрузки на экспериментальные комбинированные рабочие органы от скорости движения при различной глубине обработки и расстоянии между долотом и лемехом.
Зависимость тягового сопротивления экспериментального рабочего органа от скорости движения для различных глубин обработки при расстоянии между долотом рыхлителя и лемехом 0,17 м Из графика рисунка 4.6 видно, что с увеличением скорости движения орудия увеличивается нагрузка на рабочий орган, причем, при отвальной вспашке ее возрастание происходит более интенсивно, чем у комбинированного рабочего органа. Данный процесс связан с меньшими энергозатратами на оборот пласта отвалом разрыхленной относительно необработанной почвы. Тяговое сопротивление отвального корпуса и экспериментального, при работе отвалов на одинаковую глубины, идентичны, но экспериментальный рабочий орган дополнительно рыхлит почву чизелем на 0,17 м. Данная зависимость прослеживается при дальнейшем увеличении глубины рыхления (+0,23 м) и представлена рисунке 4.7.
Изменяя скорость движения комбинированного рабочего органа (рисунок 4.8), при различных глубинах обработки и постоянной разницей между рыхлением и оборотом пласта(0,23 м), наблюдается повышение нагрузки на рабочий орган. Это связано с достижением рыхлителем зоны критической глубины и приходящейся на лемех отвального корпуса большей части необработанной поверхности почвы.
Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что объединение технологии чизелевания с отвальной обработкой почвы в единый, позволяет повысить агротехническую и энергетическую эффективности основной обработки почвы за счет уничтожения сорных растений, заделки в обрабатываемый слой органических и минеральных удобрений, снижением эрозионных процессов. При этом, для крошения используется процесс растяжения почвы от долота, а отвалом оборачивается уже взрыхленная е часть, чем и объясняется снижение энергетических затрат обрабатываемого слоя предлагаемым рабочим органом.
Проведенные полевые исследования показали, что обработка почвы (темно-каштановая, слабо солонцеватая, тяжелосуглинистая) чизелем снижает твердость почвы, в слое 0,15-0,20 м, с 45-50 кгс/см2 (плунжер – цилиндр S=2см2) до 4-7 кгс/см2. Изменение твердости обрабатываемого слоя почвы снижает нагрузку на стойке отвального корпуса с 3560 +/-220Н до 1370+/-60Н.
Необходимо указать, что применение комбинированного рабочего органа с двумя источниками напряжений, в силу конструктивной особенности, волны напряжений которых не накладываются, а воздействуют на почву последовательно и самостоятельно [19]. Применение первоначального рыхления от чизеля (при оптимальном расположении долота рыхлителя относительно носка лемеха) обеспечивает снижение энергозатрат (в сравнении с серийными рабочими органами ПЛН, ЛПН), так как в предложенном нами варианте лемех работает уже во взрыхленной почве. При интерференции напряжений внутренние связи в почве разрушаются или ослабевают настолько, что сопротивление отвала снижалось бы только на 14-18% [83, 105]. Кроме того, для дополнительного снижения энергозатрат, предусматривается оборот почвы отвалом не на всю глубину, а только верхнего, основного корнеобитаемого.
Двухступенчатый характер обработки, основанный на преодолении вначале сопротивления разрыву, а затем сопротивления сдвигу, наиболее приемлемый для обработки консолидированных от природы солонцеватых или орошаемых, либо искусственно уплотненных почв.
Полученные экспериментальные данные силового восприятия элементами почвообрабатывающего рабочего органа позволили скорректировать автоматизо-рованный процесс прочностного расчета и анализа в программной среде КОМПАС 3D V15.1. Из полученных в результате расчета данных следует сделать вывод об эксплуатационной эффективности установки на отвальный корпус плуга стойки рыхлителя, долото которого определенным образом с ориентировано относительно лезвия лемеха.
Распределение нагрузки по стойкам отвального корпуса и рыхлителя (рисунок 4.9) показывает, что при обработке почвы с оборотом пласта на 150 мм и расстоянием между долотом рыхлителя и носком лемеха 170 мм (общая глубина рыхления 320мм), при увеличении силы до 7083 Н, максимальное напряжение переходит от места крепления стойки рыхлителя на его долото.
Дальнейшее изменение расстояния между долотом рыхлителя и леме-хом(230 мм) положения стойки рыхлителя приводит к восприятию концентрации нагрузки долотом, с заданными нами параметрами, а точнее, носовой частью (рисунок 4.10).