Совершенствование технологического процесса предпосевной обработки почвы дисковым комбинированным орудием

Актуальность темы

исследований. Основным направлением повышения эффективности земледелия России является последовательное освоение научно обоснованных систем ведения хозяйства, расширение применения почвозащитных и энергосберегающих методов обработки почвы. В странах с высокомеханизированным сельскохозяйственным производством годовой расход жидкого топлива на один гектар пашни достигает 200−250 кг. Следует отметить, что от 50 до 80% энергозатрат как у нас, так и за рубежом приходится на растениеводство [74]. В связи с этим сейчас являются актуальными исследования по изысканию приемов экономии энергии и топлива, труда и средств с учетом агрономических, технологических и конструктивных требований.

В последнее время наблюдается снижение плодородия почвы. Это объясняется нерациональным применением новых технологий, энергетических и транспортных средств, технологических машин и агрегатов, которые разрушающе воздействуют на почву, усиливая водную и ветровую эрозию.

Рост технической оснащенности сельского хозяйства и повышение культуры земледелия значительно увеличили число операций, проводимых на полях в процессе выращивания сельскохозяйственных культур, что приводит к переуплотнению почвы и отрицательно сказывается на ее структуре, усиливает эрозионные процессы и, в конечном счете, уменьшает урожайность. Так, при возделывании зерновых и других сельскохозяйственных культур по обычной технологии с применением однооперационных специализированных агрегатов тракторами и колесами уплотняется свыше 60% площади поля [82]. Отдельные участки подвергаются 3−9 — кратному воздействию, что снижает урожайность сельскохозяйственных культур, в том числе зерновых колосовых на 19%. Кроме того, не удается полностью загрузить обычными однооперационными машинами, используемыми в сельском хозяйстве, скоростные энергонасыщенные тракторы. При раздельном выполнении операции значительная часть энергии и топлива трактора расходуется на многократную транспортировку по полю так называемого «мертвого груза» (масса трактора, прицепа, машин) [17, 35, 51].

Для увеличения использования энергетических возможностей современных тракторов при работе с навесными или прицепными однооперационными специализированными машинами приходится увеличивать ширину захвата или рабочую скорость агрегатов. Однако из-за агротехнических, конструктивных и эксплуатационных ограничений указанные параметры не могут возрастать беспредельно.

Увеличением скорости и рабочей ширины захвата однооперационных машин не всегда удается достичь эффективного использования энергетических возможностей современных тракторов. Повышение скорости машинно-тракторного агрегата не приводит к пропорциональному увеличению его производительности, поскольку коэффициент использования времени смены уменьшается вследствие роста затрат его на холостые ходы при поворотах и на технологическое обслуживание [3]. Наиболее интенсивное снижение производительности наблюдается при уменьшении длины гона. Кроме того, увеличение скорости может привести к ухудшению качества работы. Увеличение ширины захвата агрегата ограничивается агротехническими, конструктивными и эксплуатационными параметрами и также не дает желаемого роста производительности.

В связи с этим наиболее перспективными являются технические средства, совмещающие за один проход выполнение нескольких операций на обработке почвы. К ним относятся комбинированные орудия и агрегаты, за счет эксплуатации которых сокращено число проходов по полю, потери времени на холостые проходы и заезды, денежные и трудовые затраты, увеличена производительность труда. Кроме того, уменьшение разрывов между отдельными технологическими операциями и улучшение качества обработки почвы при их одновременном выполнении благоприятно сказывается на физических и биологических свойствах почвы, что приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур [7, 10].

Применение комбинированных агрегатов и машин позволяет более рационально использовать в сельском хозяйстве современные мощные скоростные тракторы, а также выполнять несколько технологических операций за один проход. Комбинированные агрегаты и машины можно использовать для совмещения основной и предпосевной обработки почвы, предпосевной обработки почвы, посева и внесения удобрений, выравнивания поля, рыхления почвы, прикатывания и других операций предпосевной обработки почвы, лущения стерни одновременно с уборкой [5, 10].

Для совмещения указанных операций уже имеется часть агрегатов. Однако с внедрением новых способов и систем обработки почвы, в том числе почвозащитных и влагосберегающих, требуется разработка новых приемов совмещения операций и комбинированных машин.

Необходимость применения почвовлагосберегающих технологий в земледелии обусловлена почвенно-климатическими условиями ЦентральноЧерноземной зоны, в которую входит и Белгородская область. Неустойчивое увлажнение, тяжелые почвы, наличие равнинных полей, изрезанность их балками и оврагами определяют особые требования к почвообрабатывающей технике, то есть машины должны быть с шириной захвата, пригодной для склонового земледелия и борьбы с водной и ветровой эрозией, обеспечивающими снижение энергоемкости обработки почвы [60].

При всем многообразии систем почвозащитной обработки основным ее признаком является оставление на поверхности почвы послеуборочных остатков и сохранение их возможно дольше. Послеуборочные остатки не только защищают почву от водной и ветровой эрозии, но и способствуют накоплению влаги и уменьшению ее испарения. При оставлении в поле большого количества растительных остатков попутно решается и проблема гумуса как одного из важнейших показателей плодородия почвы [8, 30,81].

Однако наличие большого количества послеуборочных остатков на необработанной или частично обработанной поверхности поля обусловливает более жесткие требования к предпосевной обработке и технике для ее выполнения.

Предпосевная обработка почвы является наиболее ответственным технологическим приемом при возделывании сельскохозяйственных культур. Чтобы получить дружные и равномерные всходы, необходимо разрушить до мелко-комкового состояния на глубину посева верхний слой почвы, подрезать и измельчить растительные остатки и перемешать их с почвой, выровнять семенное ложе, частичным оборотом верхнего слоя почвы заделать внесенные на поверхность минеральные удобрения [46]. Поверхность поля должна быть выровнена и не иметь высоких гребней. Перечисленные операции могут быть выполнены различными рабочими органами: фрезами, лемехами, лапами, зубьями и дисками или их комбинациями. Требованиям по производительности, энергоемкости, ширине захвата и качеству обработки наиболее полно удовлетворяют орудия с комбинацией дисковых рабочих органов различных параметров. Как показывают исследования [53], дисковые почвообрабатывающие орудия имеют ряд преимуществ по сравнению с лемешно-лапчатами. Рабочие органы дисковых орудий совершают не только поступательное движение вместе с машиной, но и вращаются вокруг своей оси. Поэтому они не забиваются растительными остатками, не залипают, медленнее изнашиваются и легко перекатываются через различного рода препятствия.

Поступательно-вращательное движение дисков обеспечивает резание почвы со скольжением, что позволяет снизить энергоемкость технологического процесса обработки почвы.

Дисковые рабочие органы в зависимости от их параметров имеют различное технологическое назначение и могут выполнять все операции предпосевной обработки почвы с наименьшими энергетическими затратами.

В связи с этим исследования по разработке и обоснованию параметров дискового комбинированного орудия, обеспечивающего высокое качество предпосевной обработки почвы при повышении производительности, снижение энергоемкости, затрат труда и денежных средств, являются актуальными.

Цель исследований — улучшение технико-экономических показателей агрегата и качества предпосевной обработки почвы дисковым комбинированным орудием.

Объект исследований — дисковое комбинированное орудие и его рабочие органы для выполнения предпосевной обработки почвы.

Предмет исследований — взаимосвязи и закономерности технологического процесса предпосевной обработки почвы дисковым комбинированным орудием.

Научную новизну работы составляют.

— аналитические формулы для определения гребнистости семенного ложа и энергоемкости предпосевной обработки почвы в зависимости от параметров дисковых рабочих органов,.

— результаты многофакторных экспериментов по определению качественных показателей предпосевной обработки почвы при односледной и двухслед-ной работе дисковых рабочих органов,.

— конструктивная схема комбинированного дискового орудия, обеспечивающего высокое качество и снижение затрат энергии, труда и средств на предпосевной обработке почвы.

Практическую значимость составляют.

— математические зависимости качественных показателей работы от параметров дисковых рабочих органов, которые могут быть использованы при проектировании дисковых орудий, в том числе и для других видов обработки почвы,.

— основные параметры дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы,.

— конструкция дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы.

Методика исследования предусматривает применение методов прикладной механики и математического анализа при проведении аналитических исследований и последующее подтверждение их результатов экспериментами.

Качественные показатели обработки почвы оценивали по общепринятым методикам. Экспериментальные исследования проводили с использованием теории многофакторного планирования с последующей обработкой результатов методами математической статистики с пакетами прикладных программ Microsoft Excel, Statistika.

Достоверность результатов и выводов подтверждается лабораторно-полевыми исследованиями при достаточном числе повторностей опытов, обработкой опытных данных методами математической статистики, производственной проверкой и результатами эксплуатации в хозяйствах Белгородской области дисковых комбинированных орудий КАД-7, изготовленных ОАО «Белагромаш — Сервис».

Внедрение результатов исследований.

По результатам исследований разработана техническая документация, по которой ОАО «Белагромаш — Сервис» (ранее ОАО Белгородский энергомеханический завод) освоил выпуск комбинированных дисковых орудий под маркой КАД-7, предназначенных для предпосевной и других видов обработки почвы. До конца 2003 года было изготовлено и реализовано в хозяйствах Белгородской области и за ее пределами более 200 орудий.

Апробация работы.

Работа выполнена по договору с департаментом АПК в соответствии с Программой развития сельскохозяйственного машиностроения в Белгородской области на 1998 — 2000 год, утвержденной главой администрации области за № 633 от 07.12.1998 г. Основные результаты диссертации изложены и обсуждены на:

— II международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, Белгородская ГСХА, 1998 г.);

— IV международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, Белгородская ГСХА, 2000 г.);

— VI международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, Белгородская ГСХА, 2002 г.);

— международной конференции «Математика. Образование. Экология. Тендерные проблемы» (Воронеж, ВГУ, 2003 г.);

— научной и учебно-методической конференции профессорского-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ВГАУ в 2004 г. Положения материалов диссертации доложены на заседаниях кафедр Белгородской ГСХА.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять работ (статьи и тезисы в докладах и материалах научных конференций) и получен патент (Приложение 1).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, библиографического списка из 99 наименований, из которых 10 на иностранных языках. Она изложена, на 151 странице машинописного текста содержит 12 таблиц, 37 рисунков и 2 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ исследований существующих машин и рабочих органов показывает, что на предпосевной обработке почвы могут использоваться комбинированные орудия с рабочими органами дискового типа.

2. На основании теоретических исследований получено выражение для определения основного качественного показателя — гребнистости дна борозды (7) и тягового сопротивления (28) в зависимости от конструктивных и технологических параметров дисковых рабочих органов и свойств почвы.

3. Определены теоретические предпосылки модернизации узла крепления (патент России № 2 105 433) дисков на оси батареи, обеспечивающей повышение эксплуатационной надежности.

4. В результате экспериментальных исследований подтверждены теоретические предпосылки и получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость глубины обработки, гребнистости дна борозды и поверхности поля, крошения почвы и подрезание сорных растений и энергозатрат от конструктивно-технологических параметров дисковых рабочих органов при одно — и двухследной работе.

5. Определены для предпосевной обработки средние значения физико-механических свойств почвы и коэффициенты для расчета тягового сопротивления дискового орудия по предложенной теоретической формуле: угол трения почвы по почве (р=30°, угол трения почвы по стали (р'—23°, удельное сопротивление почвы смятию Кс= 0,32 МПа, предельное напряжение сдвига почвы т=0,065МПа коэффициент сопротивления передвижению орудия f=0,17- скоростной коэффициент, зависящий от свойств почвы и формы рабочего органа е = 1250.

6. В результате исследований обоснованы следующие оптимальные конструктивно-технологические параметры дискового комбинированного орудия для предпосевной обработки почвы: количество рядов дисковых батарей — 2- диаметр дисков переднего ряда 640.680 мм, заднего 425.475 ммрасстояния между дисками диаметром 640.680 и 425.475 мм соответственно.

200.220 и 150.170 мм, угол атаки дисков соответственно 30.35 и 20.25 градусов, угол установки дисков относительно вертикальной оси для обоих рядов 0 градусов.

7. Разработана конструктивная схема экспериментального образца дискового комбинированного орудия, при производственной проверке которого выявлено, что при некотором улучшении качественных показателей его производительность увеличилась на 30−40%, расход горючего сократился в три раза по сравнению с серийным АКП-5.

8. Годовой экономический эффект на предпосевной обработке почвы составляет 129,1 тыс. рублей, экономия затрат труда 47,4 чел.-ч.

9. По разработанной конструктивной схеме ОАО «Белагромаш-Сервис» изготовлено более 200 орудий КАД-7.