Обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора

Пропашные культуры имеют важное значение в сельскохозяйственном производстве нашей страны. Являясь иногда единственным сырьём для производства таких продуктов, как растительное масло, сахар, крахмал, спирт, пропашные культуры получают все большее распространение на полях сельскохозяйственных товаропроизводителей.

Технология ухода за пропашными культурами включает предпосевную подготовку поля, боронование до и после появления всходов, междурядную обработку почвы, окучивание, внесение удобрений и уничтожение сорняков.

Одной из важных задач ухода является поддержание полей на протяжении всего периода вегетации в чистом состоянии. Основные методы борьбы направлены на уничтожение вегетирующих сорняков. Широкое применение находят методы химической прополки полей, однако применяемые гер- / бициды накапливаются в плодах и стеблях возделываемых растений, делая их непригодными не только для употребления в пищу человеком, но и для скармливания животным.

В настоящее время все большее применение находят методы экологического земледелия, обязательным атрибутом которых являются способы механической обработки почвы.

Однако технологии и технические средства, применяемые при возделывании пропашных культур, остаются неизменными уже десятки лет. На протяжении всего периода вегетации пропашных культур основным орудием для ухода за этими растениями является пропашной культиватор. Его рабочие органы и способы воздействия их на почву имеют некоторые недостатки.

Процесс ухода за посевами пропашных культур включает в себя две или три междурядные обработки, улучшающие основные факторы роста и развития растений: влажность, аэрацию, засоренность, температурный режим. Результатом междурядной обработки помимо уничтожения сорных растений должно стать создание влагонакопительной и влагозадерживающей структуры почвы, способной обеспечить подвод и сохранение почвенной влаги в период вегетации культурных растений [63].

Задачей процесса обработки почвы является изменение ее свойств и состояния. При обработке почвы осуществляются крошение, т. е. уменьшение размеров комковрыхление, приводящее к увеличению расстояния между почвенными комочкамиуплотнение, уменьшающее это расстояние. Ведется также выравнивание, устранение неровностей поверхности поля, а с целью улучшения аэрации проводят разрушение почвенной корки. Обязательным требованием к междурядной обработке является уничтожение сорных растений, активно потребляющих питательные вещества, влагу, солнечную энергию и являющихся рассадниками болезней. При этом рабочие органы пропашного культиватора не должны повреждать культурные растения.

Цель исследований — обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов пропашного культиватора, обеспечивающих сохранение почвенной влаги и стабилизацию хода агрегата.

Объект исследования — технологический процесс культивации пропашных культур.

Предмет исследования — закономерности крошения (измельчения) комков почвы, выравнивания поверхности и стабилизации хода культиватора при междурядной обработке.

Положения, выносимые на защиту:

— перспективная технологическая и конструктивная схемы комбинированного почвообрабатывающего устройства;

— математическая модель процесса крошения почвы;

— конструкция стабилизатора хода пропашного культиватора;

— результаты экспериментальных исследований, по обоснованию оптимальных параметров рабочих органов;

— результаты сравнительных полевых исследований предложенных технических и технологических решений и их экономическая оценка.

Методика исследований включала: теоретические исследования процесса крошения почвы и стабилизации поперечных колебаний пропашного культиватора с использованием методов классической механики и математического анализа, экспериментальные исследования с применением современного тензометрического оборудования, методов планирования многофакторного эксперимента, оценки адекватности и достоверности полученных результатов, определения экономической эффективности.

Для проведения экспериментальных исследований были использованы существующие и разработанные лабораторные установки. Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы ударным воздействием при наличии опорного элемента. Определена критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы. Получена эмпирическая регрессионная модель, устанавливающая взаимосвязи между основными параметрами двухъярусного катка секции пропашного культиватора и качественными показателями его работы.

На основе исследований предложены комбинированные рабочие органы: двухъярусный каток и Т-образная лапа, новизна которых подтверждена патентами на полезную модель № 71 503, № 78 625, решением ФИПС от 12.12.2008 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2 007 127 702/11(30 164) (приложение 1).

Практическая значимость работы. Предложенные аналитические зависимости и методика расчета, могут быть использованы при проектировании комбинированных почвообрабатывающих рабочих органов и расчете конструктивных параметров стабилизирующих элементов пропашных культиваторов.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены и рекомендованы к публикации на научных конференциях СтГАУ (Ставрополь, 2008.2009 гг.), ОГАУ (Орел, 2008 г.). Во Всероссийском смотре-конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых ВУЗов МСХ РФ, АЧГАА (Зерноград, 2008 г.), финале этого конкурса в МГАУ им. В.П.

Горячкина (Москва, 2008 г.).

Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований и эскизный проект на комбинированный каток приняты ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМСЕЛЬМАШ» для изготовления опытной партии и внедрения в производство, акт внедрения прилагается (приложение 2).

Публикации результатов исследований. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в их числе 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК РФ, 2 патента на полезную модель и положительное решение о выдаче патента на изобретение. Общий объем опубликованных работ составляет 1,209 печатных листов, из которых соискателю принадлежит 0,861 печатных листов. Личный вклад соискателя по совместным исследованиям составляет 71%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Применяемые пропашные культиваторы для междурядной обработки не в полной мере отвечают предъявляемым агротехническим требованиям. Используемые на культиваторах стрельчатые лапы выносят на дневную поверхность влажную почву, образуют бороздки, оголяя дно, отбрасывают почву, что способствует интенсификации испарения почвенной влаги. В процессе работы культиватора возникают боковые силы, вызывающие его смещение в поперечной плоскости и подрезание культурных растений. Требуется улучшение качественных показателей работы культиватора за счет применения более эффективных способов воздействия на почву и создания стабилизирующих ход культиватора элементов.

2. Предложен комбинированный рабочий орган, состоящий из двухъярусного катка и Т-образной лапы, расположенной под катком. Такая конструкция обеспечивает крошение комков почвы посредством стесненного удара и стесненного сжатия. Теоретически обоснованы параметры предлагаемых рабочих органов: ширина захвата лапы Вл— 0,23 м/ угол крошения лапы ак = 10°- ширина катка вк= 0,2 мдиаметр наружного катка ?4 = 300 ммвнутреннего — dke — 80 ммпросвет между ребрами наружного катка — 60 мм, угол наклона ребер — 20°.

3. Уточнены физико-механические и технологические свойства почвы: коэффициент статического трения почвы по стальной поверхности fcm = 0,33- коэффициент динамического трения fd = 0,27- коэффициент внутреннего трения fa = 0,67- коэффициент восстановления комка почвы при ударе К = 0,109. Средняя влажность поверхностного слоя почвы в период культивации составляет 14,7%, при этом диаметр комков в верхнем слое почвы не превышает 60 мм. В результате экспериментальных исследований установлено, что с целью сохранения почвенной влаги необходимо создавать верхний мульчирующий слой почвы толщиной до 40.50 мм с размерами частиц почвы до 10,0 мм.

4. Разработана математическая модель процесса крошения комков почвы наружным и внутренним катками во взаимодействии с лапой. На основании математического моделирования установлено, что определяющими факторами эффективного крошения почвы являются масса внутреннего катка т и рабочая скорость движения культиватора V. В результате лабораторных исследований определены оптимальные значения определяющих факторов: масса внутреннего катка т = 4,2 кг и рабочая скорость культиватора Fot 2 до 3 м/с.

5. Экспериментально установлено, что для разрушения комков почвы при статическом воздействии необходимо и достаточно приложить к комку усилие в 1220,8 НУм. При динамических воздействиях разрушение комка достигается приложением к комку импульса силы в.

1,455 Н-с. Установлено, что критическая скорость распространения нормального напряжения в комке почвы составляет 11,1 .12,2 м/с.

6. Разработанные рабочие органы обеспечивают эффективное крошение комков почвы, создание верхнего мульчирующего слоя со средним содержанием частиц почвы до 10 мм не менее 82,6%. При этом глубина образуемой бороздки после прохода лапы вв = 12,0 мм, коэффициент отбрасывания почвы К0 — 0,11, коэффициент увеличения площади испарения Ки = 1,13. В контрольном варианте вв = 43,0, Ко~ 0,29, Ки= 1,30.

7. Для обеспечения стабилизации хода культиватора предложено использовать дисковое колесо-стабилизатор. В основе его действия лежит уравновешивание сил бокового смещения культиватора сопротивлением почвы смятию. Конструктивные параметры дискового колеса-стабилизатора обоснованы теоретически и проверены экспериментально: диаметр колеса ?> = 700 ммтребуемая глубина погружения для обеспечения стабилизации к = 0,096 м. При этом боковая площадь сопротивления смятию — 0,0322 м². Минимальная защитная зона составляет 50,0 мм, что гарантирует исключение подрезания культурных растений. В контроле защитная зона уменьшается до 0, что приводит к подрезанию.

8. Проведен расчет технико-экономических показателей эффективности предлагаемого культиватора с новыми рабочими органами. Рост производительности машины в сравнении с базовым вариантом 28,8%, дополнительные капитальные вложения на культиватор 29 700 руб., срок окупаемости затрат —1,9 года.

9. Результаты исследований и конструкторская документация на комбинированные рабочие органы были переданы в фирму ОАО «СТАВРОПОЛЬРЕМСЕЛЬМАШ» для внедрения в производство. Акт внедрения прилагается, разработка защищена патентами на полезную модель № 71 503 и № 78 625. По заявке № 2 007 177 702/11(30 164) получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.