Разработка способов и средств механизации снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Савельев Юрий Александрович

Разработка способов и средств механизации снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Пенза - 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА»)

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Милюткин Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ларюшин Николай Петрович

доктор технических наук, профессор Бойков Василий Михайлович

доктор технических наук, профессор Чаткин Михаил Николаевич

Ведущая организация

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 18 сентября 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 при ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

Автореферат разослан « » …….. 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

разуплотнение почва следоразрыхление трактор

Актуальность проблемы. Основной задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение страны высококачественными продуктами питания и сырьем отраслей перерабатывающей промышленности.

В соответствии с планами реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК», одним из основных направлений является развитие отрасли растениеводства, которая должна обеспечивать получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур с использованием современных технологий и средств механизации.

Производство растениеводческой продукции предусматривает современные многооперационные технологии возделывания сельскохозяйственных культур с применением высокопроизводительных энергонасыщенных тракторов, имеющих большую эксплуатационную массу, высокое удельное давление движителей на почву и соответствующего набора широкозахватных многоопорных сельскохозяйственных машин, уплотняющих почву за вегетационный период на площади до 60…80% до уборки и до 98% после уборки урожая.

Уплотняющее действие от колес и гусениц распространяется до 1 м в глубину, до 0,8 м в поперечном направлении и может сохраняться до следующего вегетационного периода. Качество работы при выполнении технологических операций на уплотненных участках по следам сельскохозяйственных тракторов и машин, как правило, не отвечает агротехническим требованиям. На поверхности поля остаются следы глубиной до 0,12 м, по которым плотность почвы существенно превышает оптимальные значения, не выдерживается заданная глубина обработки культиваторами, до 48% семян зерновых культур не заделываются на заданную глубину, увеличивается тяговое сопротивление рабочих органов, работающих на уплотненных участках, ухудшается качество уборочных работ, разрушается структура почвы, уменьшается урожайность зерновых культур. Недобор урожая от уплотнения почвы ежегодно по Российской Федерации составляет до 20…30 млн.т. и перерасход топлива до 2,5…3 млн.т.

Наиболее интенсивно уплотняется в следах движителей физически спелая и более влажная почва на ранне-весенних полевых работах. Уплотняющее действие, создаваемое при весенне-полевых и летних работах, дополнительно увеличивается уборочно-транспортной техникой, сохраняется весь вегетационный период и усиливается засушливым климатом.

Применяемые в производстве способы и средства механизации разуплотнения почвы при осенних обработках позволяет разделить обрабатываемый слой на отдельные агрегаты различного размера, имеющих высокую плотность, намного превышающую её оптимальное значение. При недостатке осенне-зимней влаги, уплотненная почва не восстанавливает свои свойства за зиму посредством промораживания, после чего наблюдается кумулятивный характер изменения ее плотности в пахотном и подпахотном горизонтах. Сеществующие следоразрыхляющие устройства на весенне-полевых работах имеют невысокое качество крошения уплотненной почвы и выравнивания обрабатываемой поверхности.

При этом возникает необходимость создания условий для целенаправленного сбора и удержания осенне-зимней влаги, как в наиболее уплотненных слоях, так и во всем пахотном горизонте при различных видах осенней обработки почвы с целью снижения уплотнения почвы промораживанием, а также последующего поддержания заданного уровня плотности почвы в следах движителей тракторов при выполнении технологических операций на весенне-полевых работах по различным агрофонам качественным разуплотнением и выравниванием уплотненной почвы.

Поэтому тема, посвященная снижению уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин за счет разработки способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы, является актуальной и имеет важное хозяйственное значение.

Исследования проводились в ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» в соответствии с заданием 02.01.03: «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям», направленной на решение проблемы: «Научные основы формирования эффективной системы АПК» тематического плана Межведомственной координационной программы Фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг, а также согласно научно-исследовательской теме НИОКР ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» «Разработка технологии и технических средств для разуплотнения почвы после проходов сельскохозяйственных тракторов и машин» (номер государственной регистрации 01.200506416).

Цель исследований. Снижение уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин за счет разработки способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.

Объект исследований. Технологический процесс снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин, осуществляемый способами и средствами механизации, обеспечивающими разуплотнение почвы.

Предмет исследований. Закономерности и параметры функционирования способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.

Методика исследований. В качестве методов и методик исследований использовались: системный и структурный анализы, математическая статистика и сравнительный эксперимент. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием методов классической механики, математического анализа и математического моделирования с использованием теории оптимального управления процессами. Исследование разрабатываемых способов и средств механизации выполнялось в лабораторных, лабораторно-полевых и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Обработка экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием программ MathCat, Excel. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась по стандартной методике для научно-исследовательских работ и новой техники.

Научная новизна работы:

- новые способы осенней обработки почвы, обеспечивающие увеличение влагонакопления и повышение эффективности разуплотнения почвы промораживанием, а также способ следоразрыхления; позволяющий достигать необходимое качество крошения и выравнивания почвы по различным агрофонам;

- новые функциональные и конструктивно-технологические схемы средств механизации, обеспечивающие разуплотнение почвы;

- функциональное обоснование и математическая модель оптимизации технологического процесса снижения уплотнения почвы;

- теоретическое обоснование функционирования способов разуплотнения почвы промораживанием и следоразрыхлением;

- теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных конструктивно-технологических параметров средств механизации разуплотнения почвы.

Новизна предложенных способов и технических решений по снижению уплотнения почвы подтверждена пятью патентами (№2281633; №2281635; №2316918; №2142681; №2282958), а новизна отдельных конструктивных решений девятью патентами (№2081554; №2103849; №2103850; №2103851; №2143112; №2197797; №2199194; №2268562; №2316927) Российской Федерации на изобретение.

Практическая ценность. Результаты исследований позволили обосновать: технологический процесс снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин с применением разработанных способов и средств механизации; способы снижения уплотнения почвы промораживанием и следоразрыхлением; конструктивно-технические схемы средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы; рекомендации по оптимизации технологических параметров способов и конструктивно-технологических параметров и энергетических показателей средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.

Использование данных способов и средств механизации, позволяет снизить уплотнение почвы промораживанием в пахотном горизонте и следоразрыхлением на глубину рыхления до уровня оптимального значения, что обеспечивает повышение урожайности зерновых культур соответственно до 10% и до 9,2%.

Реализация результатов исследований. Разработанные способы разуплотнения почвы промораживанием, следоразрыхлением и соответствующие им средства механизации (бороздообразующее устройство для отвального плуга; комбинированный рабочий орган для основной безотвальной обработки почвы; орудие для осенней мелкой полосовой обработки почвы; следоразрыхлители тракторов для различных агрофонов) внедрены в хозяйствах Сергиевского. Шигонского, Красноармейского, Кинельского районов Самарской области, в Поволжском научно-исследовательском институте селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова. Результаты работы экспонировались на 11-ой Губернской выставке достижений сельскохозяйственного производства в 2007г. (г. Самара) и награждены дипломом и золотой медалью. Результаты исследований и технические решения одобрены ОАО «Казанское моторостроительное объединение», ЗАО «Петербургский тракторный завод» и приняты для разработки почвообрабатывающей техники. Агротехническая и энергетическая оценка работы средств механизации разуплотнения почвы подтверждена полевыми опытами ГНУ «Поволжская МИС». Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» на кафедре «Сельскохозяйственные машины».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы заслушаны, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Самарского СХИ (1983…1994г.г); ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (1995…2008г.г); Волгоградского СХИ (1984г); на научно-практической конференции Саратовского ИМСХ (1985г); ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И.Вавилова» (2006г.); на Всесоюзной конференции «Школа по зерну» (г. Москва, 1987г); на научно-практической конференции «Повышение эффективности сельскохозяйственной техники» (Уфа, 1988г.), на Международной научно-практической конференции (к 13-ой международной специализированной выставке «АГРО-2003») (Уфа, 2003г.); на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Совершенствование и развитие мобильной энергетики в сельском хозяйстве» (Чебоксары, 1998г.), на 11-ой научно-практической конференции ВУЗов Поволжья и Юго-Нечерноземной зоны Российской Федерации «Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве» (г. Рязань, 2000г.).

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Новые способы и конструктивно-технологические схемы средств механизации, снижения уплотнения почвы.

2. Математическая модель процесса снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин (на примере промораживания).

3. Теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.

4. Новые средства механизации, обеспечивающие разуплотнение почвы: бороздообразователь плуга; комбинированный рабочий орган для основной безотвальной обработки почвы; орудие для осенней мелкой полосовой обработки почвы; следоразрыхлители тракторов для различных агрофонов.

5. Результаты лабораторных, лабораторно-полевых и полевых исследования по обоснованию способов и конструктивно-технологическких параметров и энергетических показателей средств механизации для снижения уплотнения почвы.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 62 печатных работах, в том числе 8 статей в изданиях рекомендуемых ВАК, получено 14 патентов РФ на изобретение, без соавторов опубликовано 23 работы. Общий объем публикаций 36,2 п.л., автору принадлежит 21,9 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 289 наименований и приложения на 67 с. Работа изложена на 371 с., содержит 175 рис. и 20 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена краткая характеристика рассматриваемой проблемы, обоснована актуальность исследований, их практическая значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы. Цель и задачи исследований» обоснованы основные направления снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин с разработкой способов и средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.

Выполнен анализ исследований уплотняющего действия движителей сельскохозяйственных тракторов и машин на почву, а также существующих способов и средств механизации снижения уплотнения почвы и результатов теоретических исследований по обоснованию их технологических и конструктивно-технологических параметров. Отражены основные требования, предъявляемые к уровню воздействия движителей на почву.

Значительный вклад в решение проблемы снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин выполненными теоретическими и экспериментальными исследованиями внесли Н.А. Качинский, П.У. Бахтин, Ю.Н. Благодатный, В.М. Бойков, А.Г. Бондарев, А.Г. Вагин, А.А. Вилде, И.И. Водяник, А.В. Вражнов, В.П. Горячкин,. А.Н. Зеленин, Г.И. Казаков, В.В. Кацыгин, А.М. Кононов, И.В. Королев, А.К. Кострицын, В.Н. Кравченко, В.М. Кряжков, И.П. Ксеневич, А.С. Кушнарев, Н.П. Ларюшин, А.А. Лопарев, М.И. Ляско, И.П. Макаров, Г.Г. Манолий, М.Е, Мацепуро, В.В. Медведев, Р.А. Мелуа, В.А. Милюткин, Э.Ю. Нугис, А.Н. Орда, И.М. Панов, Г.П. Покровский, А.И. Пупонин, И.С. Рабочев, В.А. Русанов, А.Н. Садовников, П.М. Сапожников, П.М. Семенюк, Г.Н. Синеоков, Скотников, В.В. Слюсаренко, Смирнов, М.А. А. Тинджюлис, М.Я. Турушаев, Р.Ш. Хабатов, М.Н. Чаткин, В.Н. Шептухов, А.П. Шехурдин, А.А. Юшин, О.В. Яблонский и многие другие ученые.

В результате анализа исследований можно отметить, что при современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур с применением мощных энергонасыщенных тракторов и соответствующего шлейфа сельскохозяйственных машин, после осенних обработок почвы не достигается необходимого уровня механического разуплотнения почвы, а также промораживанием из-за неэффективного сбора и распределения влаги в пахотном горизонте, а при последующем проведении весенне-полевых работ не достигается существенного снижения уплотнения существующими средствами механизации как верхнего пахотного горизонта, так и подпахотного, что в итоге приводит к недобору урожая.

В соответствии с целью в работе решались следующие задачи исследований:

1. Разработать способы и конструктивно-технологические схемы средств механизации, снижающие уплотнение почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин.

2. Выполнить теоретическое обоснование оптимизации технологического процесса снижения уплотнения почвы предлагаемыми способами.

3. Выполнить теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров средств механизации, обеспечивающих разуплотнение почвы.

4. Разработать и изготовить средства механизации, обеспечивающие разуплотнение почвы.

5. Провести лабораторные, лабораторно-полевые и полевые исследования способов и средств механизации, снижающих уплотнение почвы.

6. Провести исследования способов и средств механизации, снижающих уплотнение почвы в производственных условиях и определить экономическую эффективность от их использования в сельском хозяйстве.

Во втором разделе «Разработка способов, снижающих уплотнение почвы и их функциональное описание» приведено обоснование путей решения проблемы снижения уплотнения почвы. Предложены способы снижения уплотнения почвы, учитывающие различные системы обработки почвы, дано их описание и технологические схемы их функционирования.

Для эффективного функционирования предлагаемые способы должны выполнять следующие функции:

1. При разуплотнении почвы промораживанием - обеспечивать эффективный сбор и удержание осенне-зимней влаги в наиболее уплотненном слое почвы:

а) выполнением борозд на поверхности обернутых пластов почвы при основной отвальной обработке, подводящих осенне-зимнюю влагу к наиболее уплотненному слою почвы;

б) выполнением качественного дополнительного поверхностного безотвального рыхления при основной безотвальной обработке;

в) выполнением качественной мелкой осенней полосовой обработки почвы.

2. При механическом разуплотнении почвы: выполнять качественное механическое рыхление и выравнивание поверхности следов движителей тракторов.

Для оценки эффективности функционирования способов снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин выполнен выбор критерия объективно отражающего изменившиеся оптимизированные свойства почвы. В качестве критерия был обоснован и принят показатель - коэффициент пористости, обеспечивающий возможность сравнения результатов работы для различных типов почв. Выполнены функциональное и теоретическое описание процесса снижения уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и машин, приведены функциональные схемы предлагаемых способов, учитывающие реальные условия их применения. Для достижения высокого качества при их выполнении предусмотрено соблюдение требований, учитывающих особенности и назначение каждого способа. Для каждого способа предусмотрен оценочный критерий эффективности. На величину выходных параметров каждого из рассматриваемых процессов оказывают существенное влияние факторы внешнего воздействия, а также внутренние нерегулируемые факторы, внутренние регулируемые технологические факторы применяемых устройств.

На основе теории оптимизации управления технологическими процессами (на примере процесса разуплотнения почвы промораживанием) составлена математическая модель способов снижения уплотнения почвы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структурная схема процесса разуплотнения почвы промораживанием с управлением влагонакопления

Предлагаемая модель оптимизации рассмотренного процесса промораживания позволяет управлять динамикой коэффициента пористости почвы в зависимости от её влажности, уровень которой определяется способом и средствами механизации обработки.

Эффективность предлагаемых способов можно оценить, сравнив коэффициенты эффективности предлагаемого способа и существующего

, , (1)

где - коэффициенты пористости почвы после промораживания по базовому способу обработки почвы; - коэффициент пористости почвы после промораживания с применением предлагаемого способа с соответствующими средствами механизации обработки почвы; - коэффициенты пористости почвы до ее обработки; - оптимальная величина коэффициента пористости почвы для сельскохозяйственных культур.

Используя результаты проведенных исследований - модели оптимального управления по разработанным способам, предложена единая система: структурная схема и модель технологического процесса снижения уплотнения почвы движителями сельскохозяйственных тракторов и машин (рисунок 2).

Рисунок 2 - Структурная схема технологического процесса снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин

Каждый технологический процесс в разработанной системе является подсистемой и выполняется в определенной последовательности. Итог работы всей системы определяется эффективностью каждой подсистемы, из которых осенняя обработка почвы и последующее промораживание являются основополагающими и определяющими в состоянии почвы для результата использования последующих подсистем.

Выходными параметрами системы снижения уплотнения почвы, на которую влияют ранее перечисленные факторы, является обобщенная эффективность процесса разуплотнения почвы. Общая эффективность существующих и разработанных способов снижения уплотнения почвы определяется как произведение коэффициентов эффективности отдельно взятых соответствующих способов. По итогам расчетов разработанных моделей оптимизации предлагаемых процессов представляется возможность прогнозировать эффективность их внедрения. Для выражений (1), на основании экспериментальных данных и результатах расчетов, с использованием компьютерных программ «MathCad», «Excel», на рисунке 3 представлены величины коэффициентов эффективности существующих и разработанных способов снижения уплотнения почвы.

Рисунок 3 - Коэффициенты эффективности разработанных способов снижения уплотнения почвы в сравнении с существующими способами

Представленные данные показывают, что эффективность снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных машин и тракторов предлагаемыми способами и техническими средствами существенно выше применяемых в производстве. При этом, общий коэффициент эффективности разработанных способов снижения уплотнения почвы составил 0,71, что позволяет сделать вывод о необходимости решения сформулированной проблемы с соответствующим теоретическим и экспериментальным обоснованием.

Для реализации предлагаемого технологического процесса снижения уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин, на основании анализа имеющихся для этого средств механизации, разработаны соответствующие устройства: бороздообразователь отвального плуга; комбинированный рабочий орган для безотвальной обработки почвы; орудие для мелкой полосовой обработки почвы; следоразрыхлители тракторов: для агрофона с основной безотвальной обработкой почвы, с основной отвальной обработкой при оптимальной влажности почвы, с основной отвальной обработкой почвы при ее оптимальной влажности и выше.

Для процесса снижения уплотнения почвы промораживанием применяются: отвальный плуг с бороздообразователями (рисунок 4), плоскорез-глубокорыхлитель с комбинированными рабочими органами (рисунок 5) и комбинированное орудие для мелкой осенней полосовой обработки (рисунок 6).

Для процесса следоразрыхления применяются следующие устройства: следоразрыхлитель для агрофона с основной безотвальной обработкой почвы (рисунок 7), следоразрыхлитель для агрофона с основной отвальной обработкой почвы и оптимальной влажностью (рисунок 8) и следоразрыхлитель для агрофона с основной отвальной обработкой почвы и влажностью на уровне и выше оптимальной (рисунок 9).

В третьем разделе «Теоретические исследования способов и средств механизации снижения уплотнения почвы» рассмотрен идеализированный процесс разуплотнения промораживанием уплотненного слоя почвы при различных способах осенней обработки почвы.

Рисунок 4 - Схема плуга с бороздообразователями

Рисунок 5 - Схема плоскореза-глубоко-рыхлителя с комбинированными рабочими органами

Рисунок 6 - Схема комбинированного орудия для мелкой осенней полосовой обработки

Рисунок 7 - Схема следоразрыхлителя для агрофона с основной безотвальной обработкой

Рисунок 8 - Схема следоразрыхлителя для агрофона с основной отвальной обработкой почвы и оптимальной влажностью

Рисунок 9 - Схема следоразрыхлителя для агрофона с основной отвальной обработкой почвы и влажностью на уровне и выше оптимальной

На основе баланса количества тепла (энергии) для элементарного объема уплотненного слоя почвы можно записать в соответствии с первым законом термодинамики

, (2)

где dQ - количество тепла, отведенного от элементарного объема уплотненной почвы холодным воздухом, Дж; dU - количество тепла, направленного на изменение внутренней энергии элементарного объема уплотненной почвы, Дж; dL - количество тепла (энергии), затраченной на выполнение работы по разделению элементарного объема уплотненной почвы на отдельные составляющие, .

Рисунок 10 - Схема расположения уплотненного слоя почвы после вспашки и его параметры

Рисунок 11 - Схема расположения уплотненного слоя почвы после основной безотвальной обработки почвы с дополнительным поверхностным безотвальным рыхлением

Рассмотрим каждый из предлагаемых способов.

а). При осенней основной отвальной обработке почвы. После основной отвальной обработки, наиболее уплотненной частью пласта почвы является его верхняя часть, которая после его оборота и формирования борозды занимает положение (рисунок 10).

Количество тепла отведенного от пласта почвы единичной длины холодным воздухом за время можно представить в следующем виде

, Дж (3)

где а, b, l₁, ч, - параметры уплотненного слоя почвы единичной длины , (рисунок 3.1); м; k_П -коэффициент теплопроводности почвы, Дж/(м·с·град); Т - температура воздуха, град; h - глубина уплотненного слоя почвы, м; S_СЛ - площадь теплообмена на поверхности уплотненного слоя почвы, м²; - время теплообмена, с.

б). При осенней основной безотвальной обработке почвы с дополнительным поверхностным безотвальным рыхлением (рисунок 11):

, Дж, (4)

где l₂ - единичная ширина поверхности уплотненного слоя после безотвальной обработки, м.

в). При осенней мелкой полосовой обработке почвы (рисунок 12):

, Дж, (5)

где b_МО, b_МН - единичная ширина поверхности поля после мелкой обработки по обработанным и необработанным интервалам, м.

Рисунок 12 - Схема расположения уплотненного слоя почвы после мелкой полосовой обработки почвы

Величина dU направлена на изменение температуры минеральной части почвы и почвенной воды на . Количество тепла, необходимого для изменения температуры элементарного объема почвы влажностью w на определится следующим выражением

. (6)

Так как , то

, Дж; (7)

где - теплоёмкость минеральной части почвы, Дж/г·град; - теплоёмкость воды, Дж/г·град; - плотность почвы, г/см³.

Определим количество отведенного тепла от всего слоя уплотненной почвы единичной длины при изменении температуры его минеральной части и почвенной воды на на участках для каждой из предлагаемых обработок.

а). При осенней основной отвальной обработке почвы с бороздообразованием

, Дж, (8)

где ; - глубина борозды, м; - угол наклона пласта к дну борозды, град.

б). При основной безотвальной обработке почвы с дополнительным поверхностным безотвальным рыхлением

; Дж, (9)

где h - глубина уплотненного слоя почвы от поверхности поля, м.

в). При осенней мелкой полосовой обработке почвы

, Дж. (10)

Количество энергии, затраченное на фазовый переход воды в лед, содержащейся в элементарном объеме уплотненного слоя почвы в единицу времени при рассматриваемых видах обработки

, Дж,

Количество энергии, затраченной на увеличение элементарного объема уплотненной почвы в единицу времени при промораживании в рассматриваемых видах обработки

, Дж.

Для всего слоя уплотненной почвы

, Дж,

где V₁ - объем воды до промораживания в рассматриваемом объеме почвы; м³;

V₂ - объем льда в рассматриваемом объеме почвы после промораживания, определяемый, м³; - напряжение разделения уплотненной промерзшей почвы на отдельные агрегаты при увеличении объема льда, Па.

После составления баланса энергии, направленной на промораживание уплотненного слоя почвы соответственно для каждого вида обработки почвы, определены теоретические выражения для определения плотности разуплотненной почвы.

а). Для основной отвальной обработки почвы с бороздообразованием

, г/см³. (11)

б). Для основной безотвальной обработки почвы с дополнительным поверхностным безотвальным рыхлением

, г/см³. (12)

в). Для мелкой осенней полосовой обработки почв

, г/см³, (13)

, г/см³. (14)

Плотность почвы после промораживания в каждом из способов будет зависеть от параметров и характера обработки уплотненного слоя почвы, от исходной плотности уплотненной почвы, ее влажности, величины отрицательной температуры, продолжительности промораживания, а также от теплофизических свойств почвы, воды и льда.

В процессе формирования борозды почва, изначально находящаяся в состоянии покоя, после отделения от основного массива, начинает двигаться с установившейся скоростью по рабочей поверхности бороздообразователя и, достигнув бороздного обреза, движется по своей траектории на определенное от него расстояние (рисунок 13-а).

а) б) в)

Рисунок 13 - Схема движения частицы почвы: а - после схода с рабочей поверхности бороздообразователя; б - по рабочей поверхности бороздообразователя в вертикальной плоскости; в - по рабочей поверхности бороздообразователя в горизонтальной плоскости

При этом на частицу действуют следующие силы: - сила нормального давления на частицу почвы, направленная со стороны криволинейной рабочей поверхности бороздообразователя, Н; - сила тяжести, Н; - сила трения почвы о рабочую поверхность бороздообразователя, Н; - горизонтальная составляющая движущей силы, Н; - вертикальная составляющая движущей силы, Н (рисунок 13б, в).

Применив принцип Даламбера, рассмотрим движение частицы почвы по рабочей поверхности бороздообразователя. Учитывая кривизну рабочей поверхности бороздообразователя, составим уравнения движения частицы почвы по направлению касательной к траектории ее движения и вертикали:

, Н; (15)

, Н; (16)

, Н; Н;

, Н;, Н.

Подставим выражения сил в уравнения (15) и (16), получим

, Н; (17)

, Н; (18)

где - масса элементарной частицы, кг; - ускорение, м/с²; - скорость движения частицы почвы, м/с; - угол наклона рабочей поверхности бороздообразователя к горизонту в поперечном направлении, град; - угол постановки лезвия рабочей поверхности бороздообразователя к стенке борозды, град; - угол постановки лезвия рабочей поверхности бороздообразователя к горизонту, град; - коэффициент трения почвы о сталь; - радиус кривизны рабочей поверхности бороздообразователя, м; - ускорение свободного падения, м/с²; - угол трения почвы о сталь; - угол между направлениями действия сил и , град.

Выразив величину ускорения из формул (17) и (18) и приравняв их значения, определим скорость движения частицы почвы по рабочей поверхности бороздообразователя

. м/с; (19)

После схода с рабочей поверхности бороздообразователя в точке О с координатными осями х и у, частица почвы движется по криволинейной траектории, состоящей из первой части до максимума в точке А и второй части до поверхности почвы в точке В. После составления и решения уравнения движения частицы почвы, определим время движения частицы почвы до максимальной точки подъема А, где

, с. (20)

Определим максимальную ординату подъема частицы почвы в процессе движения

, м. (21)

Максимальное расстояние движения частицы почвы по горизонтали

, м. (22)

При условии, что - расстояние от вертикальной стенки выполняемой борозды до верхней кромки отваленного смежного пласта почвы основным корпусом плуга по направлению движения частицы почвы, определим длину поверхности бороздообразователя

, м; (23)

где - ширина захвата основного корпуса плуга, м.

Тяговое сопротивление бороздообразователя можно представить следующим образом

, Н; (24)

где - удельное сопротивление почвы, н/м²; - глубина борозды,м; - ширина борозды, м; - коэффициент, учитывающий энергию отбрасывания пласта почвы, н с²/м⁴.

В процессе работы плоскорежущая лапа 3 обрабатывает пласт почвы, в котором предварительно сверху надрезаны щели с интервалом щелерезами-рыхлителями 1, глубже разрыхленного на глубину слоя рыхлительными лапками 2 (рисунок 14). Каждый участок плоскорежущей лапы, в силу ее установки в плане к направлению движения под углом, взаимодействует с соответствующими интервалами по фронту движения поочередно с определенным промежутком времени.

При невысокой осенней влажности, почва характеризуется в основном упругой деформацией. Взаимодействие рабочей поверхности плоскорежущей лапы с пластом почвы от одной границы интервала до другой сопровождается деформацией почвы до предела ее упругости и подъемом на высоту .

При этом расстояние между верхними надрезанными границами интервалов увеличивается и, при достижении предела прочности, пласт почвы над лапой отрывается и отделяется от смежного интервала в поперечном направлении с образованием трещины и дополнительно рыхлится, двигаясь одновременно над лапой в продольном направлении.

Рисунок 14- Схема процесса работы безотвального комбинированного рабочего органа: 1 - нож-щелерез; 2 - лапка-рыхлитель; 3 - плоскорежущая лапа

Уравнение образования трещины в почве, используя энергетический принцип, можно представить следующим образом

, (25)

где - глубина необработанного пласта почвы относительно основания щели, м; - работа, выполняемая плоскорежущей лапой по перемещению половины интервала пласта почвы до его отрыва от смежной половины, Дж; - упругая энергия, содержащаяся в половине интервала почвы высотой , Дж; - энергия, необходимая для образования трещины в интервале пласта почвы высотой , Дж.

Работа плоскорежущей лапы при перемещении интервала пласта почвы

, Дж. (26)

Энергия, необходимая для образования трещины в интервале пласта почвы высотой , площадью сечения , определится выражением

, Дж; (27)

где - предельное сопротивление почвы растяжению, Па; - высота слоя почвы над плоскорезной лапой до щели-надреза, м; - модуль Юнга, Па.

Упругая энергия в рассматриваемом интервале пласта почвы

, Дж; (28)

где - внешняя сила, действующая на половину интервала почвы, Н; - угол крошения плоскорезной лапы, град; - угол трения почвы о сталь, град; 2- угол в плане плоскорезной лапы, град.

Величина высоты слоя почвы над плоскорезной лапой до щели-надреза:

, м. (29)

Длина рабочей части ножа-щелереза для формирования щели-надреза

, м. (30)

Ширину захвата лапки щелереза-рыхлителя

, м; (31)

где - глубина рыхления лапки, м; - угол скола почвы лапкой в вертикально-поперечной плоскости лапы, град.

Общее тяговое сопротивление безотвального комбинированного рабочего органа

=, Н (32)

где - удельное сопротивление почвы, Н/м²; - ширина рабочих кромок ножа-щелереза, м; - угол между рабочей кромкой ножа-щелереза и направлением движения, град; - количество ножей-рыхлителей, шт.

Сопротивление переднего наклонного лемеха определится суммой сопротивлений его верхней и нижней частей, которые включают сопротивление почвы резанию лезвием и , сопротивление деформации со скалыванием верхней частью или смятию нижней частью и сопротивление на преодоление инерции пласта :

(33)

где - твердость почвы до обработки, Па.

Сопротивление заднего наклонного лемеха определится суммой сопротивлений почвы резанию лезвием , деформации со скалыванием и сопротивление на преодоление инерции пласта :

, Н; (34)

где - твердость почвы после прохода переднего наклонного лемеха по линии движения заднего лемеха, Па.

Сопротивление односторонней рыхлительной лапки определится суммой сопротивлений его вертикальной и горизонтальной рабочих частей, которые включают сопротивление почвы резанию лезвием и , сопротивление деформации со скалыванием и , и сопротивление на преодоление инерции пласта и :

, Н; (35)

где и - площади рыхления вертикальной и горизонтальной рабочими частями лапки соответственно, м².

Сопротивление перекатыванию какта с рыхляще-мульчирующими элементами определится суммой сопротивлений перекатыванию его гладкой цилиндрической поверхности и от реакции рыхляще-мульчирующих элементов:

, , Н; (36)

где и - сопротивление элементов по разрыхленной и не разрыхленной почве, Н.

(37)

(38)

Эффективность способа следоразрыхления определяется величиной расстояния от движителей трактора до рабочих органов следоразрыхлителя, которое определится из условия (рисунок 15)

. (39)

Рисунок 15 - Схема изменение плотности почвы при следоразрыхлении

Текущее значение плотности уплотненной почвы после разгрузки до начала рыхления и при рыхлении

г/см³. (40)

. г/см³. (41)

Условие минимизации воздействия рабочего органа на почву

, г/см³; (42)

где - плотность почвы до уплотнения, г/см³; - коэффициент распределения напряжений в почвенном горизонте, м^-1; k - коэффициент объемного смятия почвы, Кн/м³; h - глубина рассматриваемого почвенного горизонта, м.

Расстояние от движителя трактора до рабочих органов следразрыхлителя

, м. (43)

Глубина рыхления уплотненной почвы в следах движителей тракторов

, м; (44)

где - усилие, затрачиваемое на перемещение рабочего органа, на данном случае лемеха, Н; - тяговое сопротивление рабочего органа, Н; - тяговое сопротивление стойки, Н; - длина рабочей поверхности плоскорезной лапы, м; - угол между плоскостью скола и направлением действия результирующей силы , град.

При теоретическом исследовании процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с основной безотвальной обработкой почвы, обоснован угол установки плоскорезной лапы в плане относительно фронта движения (рисунок 16)

Рисунок 16 - Схема к определению угла постановки в плане плоскорезной лапы

Рисунок 17 - Схема к определению количества прямолинейных зубьев зубового диска

, град. (45)

Разница времени релаксации

, с. (46)

Расстояние отклонения лапы

, м. (47)

Количество прямолинейных зубьев зубового диска (рисунок 17)

(48)

, шт. (49)

Тяговое сопротивление зубового диска

(50)

где - кинематический параметр;

- угол, образованный горизонталью из центра диска и прямой соединяющий центр диска с точкой входа зуба, град; = 80°- угол поворота зуба в почве;

- порядковый номер зуба; - число зубьев, шт; - твердость почвы, Па;

- площадь поперечного сечения зуба, м².

При теоретическом исследовании процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с основной отвальной обработкой почвы оптимальной влажности, обосновано расстояние распространения деформации почвы от ножа-щелереза

, м; (51)

где - коэффициент относительной поперечной деформации, аналогичный коэффициенту Пуассона; - угол между направлением действия сосредоточенной силы и радиальным направлением до рассматриваемой точки, град; - плотность почвы - го горизонта почвы в - ый момент времени после разгрузки, г/см³; - глубина -го горизонта почвы, м; S- площадь боковой поверхности клина, м²; - суммарное нормальное напряжение на расстоянии, Па.

Варианты схем взаимной расстановки ножей-щелерезов:

1. Фронтальное расположение с минимально необходимым расстоянием между ножами-щелерезами

, м. (52)

2. - образное расположение фронта ножей-щелерезов, применяемое для длиннобазовых орудий.

3. Шахматное расположение с минимально необходимым фронтальным и продольным расстоянием между ножами-щелерезами.

Рисунок 18 - Схема взаимной расстановки ножей-щелерезов и ножей-рыхлителей: 1 - нож-щелерез, 2 - поводок, 3 - стрельчатая лапка-рыхлитель

, м. (53)

, м. (54)

Общее тяговое сопротивление ножа-щелереза (рисунок 18)

, Н; (55)

где - константное аппроксимированное значение плотности почвы, г/см³;

- контактное нормальное давление на фронтальной поверхности клина ножа-щелереза, Па .

Ширина грани лезвия ножа-щелереза , м; (56)

где - ширина захвата ножа-щелереза, м.

При теоретическом исследовании процесса работы следоразрыхлителя трактора для агрофона с основной отвальной обработкой почвы при оптимальной влажности и выше, обосновано тяговое сопротивление ножа-рыхлителя

, Н. (57)

Тяговое сопротивление ножа-щелереза

, Н. (58)

Тяговое сопротивление перемещению поводка

, Н. (59)

Тяговое сопротивление стрельчатой лапки-рыхлителя

, Н. (60)

Тяговое сопротивление на преодоление инерции пласта почвы

, Н. (61)

Энергетическая эффективность процесса рыхления почвы ножом-рыхлителем количество поглощённой энергии в плоскостях скола (рисунок 19):

, (62)

. (63)

Сравнительный коэффициент эффективности используемой энергии

(64)

Рисунок 19 - Схема к определению площади скола рабочим органом при классическом и блокированном рыхлении почвы

В четвертом разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены задачи, общая и частные методики, приборы и оборудование экспериментальных исследований, обоснование факторов, влияющих на рабочие процессы снижения уплотнения почвы.

На основании цели и задач исследований была разработана программа экспериментальных исследований, в которую входили:

- экспериментальные исследования в лабораторных условиях;

- экспериментальные исследования в лабораторно-полевых условиях;

- экспериментальные исследования в полевых условиях;

- энергетическая оценка средств механизации снижения уплотнении почвы.

Экспериментальные исследования проводились с целью определения физико-механических и реологических свойств почвы, а также свойств мерзлой почвы; обоснования оптимальных параметров предлагаемых способов и средств механизации снижения уплотнения почвы.

Задачами лабораторных исследований являлись исследования физико-механических и реологических свойств почвы (коэффициент внутреннего трения, коэффициент объемного смятия, эффективность разуплотнения почвы промораживанием и определение продуктивной способности почвы экспресс-методом).

Задачами лабораторно-полевых исследований являлись:

- оптимизация конструктивно-технологических параметров предлагаемых способов и средств механизации снижения уплотнения почвы;

- определение экспериментальных данных по проверке теоретических предпосылок;

Задачами полевых исследований являлись:

- проверка способов и средств механизации снижения уплотнения почвы в полевых условиях;

- определение эффективности способов и качества работы экспериментальных средств механизации.

В качестве методов и методик исследований использовались: системный и структурный анализы, математическая статистика и сравнительный эксперимент. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием методов классической механики, математического анализа и математического моделирования с использованием теории оптимального управления процессами. Исследование разрабатываемых средств механизации выполнялось в лабораторно-полевых и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками. Обработка экспериментальных исследований проводилась на ПЭВМ с использованием программ MathCat, Excel. Экономическая эффективность предлагаемых разработок определялась по стандартной методике.

В пятом разделе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» приводятся результаты исследований физико-механических и реологических свойств уплотненной почвы, а также мерзлой почвы. Представлены зависимости, описывающие закономерности влияния разработанных технологических процессов, реализуемых соответствующими средствами механизации на снижение уплотнения почвы от движителей сельскохозяйственных тракторов и машин.

Исследование напряженного состояния в почве под движителями тракторов К-701, Т-150К и МТЗ-80, выполнялось весной на поле, подготовленном к посеву зерновых, после предпосевной культивации на глубину 0,12м. Почва - чернозем обыкновенный среднесуглинистый среднемощный. Влажность почвы по слоям: 0…0,10; 0,10…0,20; 0,20…0,30; 0,30…0,40; 0,40…0,50 м - 30,87; 27,09; 26,22; 24,15; 22, 73 %. После измерения нормальных напряжений под движителями тракторов К-701, Т-150К и МТЗ-80, было определено, что наибольшая величина нормальных напряжений наблюдается под серединой протектора колес тракторов и имеет нелинейную зависимость по глубине горизонта . Наибольшая величина нормального напряжения на глубине 0,05м наблюдается у трактора К-701 и составляет 180 КПа, у тракторов Т-150К, МТЗ-80 соответственно 145; 150 КПа. Уплотнение почвы от создаваемых напряжений рассматриваемыми тракторами наблюдалось до горизонта 0,60…0,70 м. Глубина следа в центре после прохода тракторов К-701 Т-150К и МТЗ-80 в среднем составила соответственно 0,09; 0,067 и 0,072 м, что находится на уровне и более глубины посева зерновых культур.

По профилю следа максимальная величина уплотнения почвы относительно оптимального уровня у всех колесных движителей наблюдается по центру колеса. При этом наиболее интенсивно уплотняется верхний слой 0…0,10 м, и составляет у тракторов К-701 Т-150К и МТЗ-80 соответственно: 0,082; 0,08 и 0,088 г/см³. Глубина уплотнения почвы у данных тракторов достигает 0,40…0,50 м. Характер изменения твердости почвы показывает, что уплотняется весь пахотный горизонт, а наиболее интенсивно верхние слои почвы тракторами К-701 Т-150К. На глубине 0,10 м под движителями тракторов К-701 Т-150К, и МТЗ-80 твердость почвы, по сравнению с контролем, увеличилась соответственно на 0,63; 0,58 и 0,35 МПа.

Рисунок 20 - Общий вид средств механизации, обеспечивающих повышение влагонакопления для разуплотнения почвы промораживанием: а) - плуг с бороздообразователями; б) - плоскорез-глубокорыхлитель с комбинированными безотвальными рабочими органами; в) - орудие для мелкой осенней полосовой обработки почвы

Результаты лабораторных исследований способа промораживания почвы с исходной плотностью 1,1; 1,2; 1,3 и 1,4г/см³ и влажностями 24,9; 28; 30,5; 32,5% позволили определить весьма существенное влияние уровня влажности на эффективность разуплотнения. Для почвы плотностью 1,1 и 1,2наибольшую эффективность обеспечивает влажность в интервале 29…31%, для плотности 1,3- 28,5…30,5% и для 1,4- 28…30%.

В результате исследований бороздообразователя в составе отвального плуга для основной обработки почвы (рисунок 20а) экспериментально определен угол постановки лезвия рабочей поверхности бороздообразователя к горизонту, являющийся пограничной величиной после, увеличения которой наблюдается фонтанирование почвы. Скорость движения почвы по рабочей поверхности бороздообразователя при составляет 1,86м/с. При заданной глубине хода бороздообразователя 0,12 м, с увеличением длины отвала бороздообразователя (=0,15; 0,19; 0,23 и 0,27м) ширина борозды увеличивается с 0,10 до 0,17м, а максимальная глубина борозды 0,11м выполняется отвалом длиной 0,19…0,25м. На влагонакопление в наиболее уплотненном слой почвы оказывают наибольшее влияние глубина хода бороздообразователя , расположение вертикальной стенки борозды бороздообразователя в поперечном направлении относительно вершины кромки обернутого пласта почвы и длины рабочей поверхности бороздообразователя . Для обоснования оптимальных величин данных основных факторов, влияющих на влагонакопление, был реализован полный факторный эксперимент 2³ Песочинского. На основании выполненных расчетов получено уравнение регрессии в раскодированном виде

...