Разработка метода и средства определения твердости почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации

сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Разработка метода и средства определения твердости почвы

Трубицын Николай Владимирович

Москва 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГНУ «РОСИНФОРМАГРОТЕХ») - Новокубанский филиал (КубНИИТиМ)

Научный руководитель член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор

Федоренко Вячеслав Филиппович

Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Краснощеков Николай Васильевич

Кандидат технических наук, профессор Киселев Сергей Николаевич

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ВИМ)

Защита диссертации состоится 16 сентября 2010 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 Государственного научного учреждения “Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка” (ГНУ ГОСНИТИ) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д. 1.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ.

Автореферат разослан 2010 г. и опубликован на сайте http://www.gosniti.ru 9 августа 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Соловьев Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной технологической характеристикой поля, оказывающей механическое сопротивление развивающейся корневой системе растений, влияющей на всхожесть семян и развитие растений, определяющей водный, воздушный и тепловой режим почвы является твердость почвы. Получение достоверных информационных сведений о твердости почвы имеет особое значение потому, что на уплотнение почвы значительное влияние оказывают многократные проходы по полю тракторов, комбайнов и другой мобильной современной техники. Функционирование такой техники приводит к распылению верхнего и уплотнению нижнего слоев почвы, отрицательно влияет на ее плодородие, снижает урожайность с.-х. культур.

В настоящее время для измерения твердости почвы применяются твердомеры ручного принципа действия. Использование таких твердомеров связано с трудоемкостью проведения работ и получением достоверных результатов измерений при проведении мониторинга характеристик поля в системе точного земледелия.

Таким образом, существует актуальная задача совершенствования методов и средств измерения твердости почвы.

Работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИР «РосНИИТиМ» и ФГНУ «Росинформагротех» по госбюджетной тематике 2008 - 2009 г.г. почва сельскохозяйственный твердость растениеводческий

Цель исследования - разработка метода и средства измерения твердости почвы для получения достоверных информационных сведений при проведении испытаний сельскохозяйственной техники и при производстве растениеводческой продукции сельхозпроизводителями.

Объект исследования - технологический процесс погружения плунжера в почву для измерения ее твердости.

Предмет исследования - закономерности взаимодействия плунжеров с почвой для определения ее твердости по величине создаваемой силы сопротивления.

Методика исследований. Состоит в обосновании и разработке конструкции мобильного электромеханического измерителя твердости почвы и проведении теоретических, лабораторных и производственных исследований.

Научная новизна. Состоит в разработке метода измерения твердости почвы, который исключает влияние изменяющейся скорости погружения плунжера и, для его реализации, сконструирован прибор.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 78574 «Устройство для измерения твердости почвы».

Практическая значимость и реализация исследований. Результаты научных исследований послужили основой для разработки метода измерения твердости почвы и электронного твердомера почвы, применение которых на зональных машиноиспытательных станциях при испытаниях сельскохозяйственной техники по ГОСТ 20915-75 и СТО АИСТ 4.1-2004, позволит повысить точность проводимых измерений, обеспечить снижение трудоемкости проведения измерений и повышении оперативности получения результатов. Электронный твердомер почвы ИП271 и методика измерения твердости почвы внедрены в ГНУ СКС ВИМ Россельхозакадемии.

Апробация. Основные результаты исследований по работе докладывались на 4-й международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы АПК» АГРОИНФО-2009, 7-й международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и патент РФ № 78574 на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и приложения. Диссертация изложена на 132с., содержит 14 табл., 61 рис., 50 с. Приложений. Список используемой литературы включает 144 наименования.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

1. Метод измерения твердости почвы, исключающий влияние человеческого фактора на получаемые результаты.

2. Технологическая схема измерителя твердости почвы.

3. Техническое средство для измерения твердости почвы, позволяющее автоматизировать процесс измерения и регистрации результатов ИП271.

4. Результаты экспериментальных исследований измерения твердости почвы твердомером ИП271.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» показана важность определения твердости материалов, в том числе и почвы, представлены существующие методы и средства измерения твердости почвы, а также выявлены недостатки существующих методов и средств, определено перспективное направление на устранение этих недостатков и на создание новых методики и технического средства измерения твердости почвы.

Анализ существующих методов и средств измерения твердости почвы, позволил классифицировать их по способу перемещения плунжера в почве.

1. Перемещение плунжера при помощи падающего груза (Метод Кунце, метод ДОРНИИ и др.).

2. Перемещение плунжера при помощи рукоятки и шестерни (Твердомер Ревякина, твердомер ВИСХОМ, твердомер ИП232 и др.).

3. Перемещение плунжера путем вдавливания (Зонд Гетке, твердомер Eijkelkamp P-1.50 и Р-1.52, пенетрометр ПГ-1 и др.)

Рабочими органами в конструкциях рассмотренных твердомеров являются шток с плунжером. Длина штока эквивалентна глубине погружения плунжера в почву и определяется агротехническими требованиями. По форме плунжеры бывают цилиндрические, шарообразные (на сдавливание), в виде трехгранного клина и конические с различными углами при вершине (на расклинивание).

Для различной твердости почвы применяют плунжеры с соответствующей площадью поперечного их сечения 1 см2; 2 см2; 2,8 см2 и более.

Для определения силы сопротивления проникновению в почву используются параметры плунжера (конуса) и коэффициенты, а при использовании силоизмерительных пружин - постоянные пружин.

Показателем твердости может служить глубина погружения плунжера от одного удара груза в 1 кг·м. Твердость почвы при расклинивающем сопротивлении или сдавливании выражают в кПа, а также - удельной работой (в кг/см2), характеризующей величину сопротивления. В случае работы с цилиндрическим плунжером расчет средней твердости почвы может производиться как отношение действующей силы (массы) к вытесненному объему.

Перечисленные выше твердомеры относятся к конструкциям ручного принципа действия, что обуславливает трудоемкость и ограниченность их использования при проведении мониторинга твердости почвы на всей площади поля для системы точного земледелия.

Кроме того, необходима тарировка пружин твердомеров и периодическое построение тарировочных кривых, так как жесткость пружин не постоянна. Процесс построения кривых твердомера, использование их при обработке данных, снятых при измерении и вычислении твердости почвы, и получение информации связано с большим объемом ручной работы.

По результату проведенного анализа была поставлена цель - разработать метод и техническое средство для измерения твердости почвы, использующее в своей конструкции современные средства автоматизации и компьютерной техники и исключающее влияние оператора на получаемые результаты измерений.

Во втором разделе «Теоретические исследования» дано теоретическое обоснование влияния скорости погружения плунжера при определении твердости почвы.

Для построения исходной расчетной модели взаимодействия реальных физических тел в простейшем одномерном случае обратимся к рисунку 1.

Рисунок 1 - Схема «течения» граничного слоя при скольжении тела по деформируемой опоре (грунту)

Трение скольжения (рис. 1) сопровождается сдвигом частиц грунта со скоростью v, меньшей скорости u тела. Напряжения сжатия и сдвига грунта определяются по величине потребной толкающей силы F, отнесенной к характерной площади s деформатора. Перемещение частиц грунта распространяется на некоторую конечную глубину h0, называемую граничным или контактным слоем. Изменение скорости частиц по высоте слоя показано на рисунке 1 заштрихованными фигурами, и в первом приближении может быть принято линейным.

Задача состоит в том, чтобы описать процессы трения на базе известных фундаментальных законов деформирования тел, в частности, грунта при сжатии и сдвиге: закона Гука, характеризующего упругое поведение твердых тел в пределах малых величин деформаций, и закона Ньютона, описывающего вязкое течение реальных жидкостей. Так как в любых реальных телах оба эти свойства - упругость и вязкость - в большей или меньшей мере проявляются совместно, то для этого в расчетную модель трения помимо фрикционного элемента, характеризующего «чистое» или идеальное внешнее трение (сила П), обусловленное вертикальной нагрузкой P на контакте, необходимо ввести также упругий (пружинный) K и вязкий (гидравлический демпфирующий) A элементы и определять силу трения как алгебраическую сумму трех составляющих (рисунок 2).

Такая модель называется вязкоупругопластической, поскольку элемент трения характеризует особый вид деформирования тел -- пластическое течение, при котором сила сопротивления сохраняет постоянную величину.

Рисунок 2 - Вязкоупругопластическая модель деформирования реальных тел

Термин «упругость» здесь не следует понимать буквально, поскольку деформации большинства реальных тел полностью не восстанавливаются и не являются упругими в строгом смысле этого слова. В механике сплошных или деформируемых сред, в частности, в механике грунта этот термин широко используется для описания закона линейной деформируемости (квазиупругости) реальных тел в пределах ограниченных величин деформаций.

Закон Гука для твердых тел определяет пропорциональность квазиупругих сил относительному изменению объема тел или относительной их деформации; коэффициент пропорциональности K, называемый модулем упругости или жесткостью, характеризует напряженность деформируемого тела. Закон Ньютона для реальных жидкостей определяет пропорциональность вязких сил градиенту скорости частиц в граничном слое. Коэффициент пропорциональности A называют коэффициентом вязкости ньютоновской жидкости. Примем далее во внимание, что абсолютная величина объемной деформации ДV грунта за малый промежуток времени Дt, задающий малую величину относительной деформации, пропорциональна скорости u деформирования ДV = suДt; а полный объем V грунта, вовлекаемого в процесс деформирования за то же время, -- скорости с распространения деформаций в среде V = scДt. Тогда величина относительной деформации грунта при качении колеса определится как отношение указанных скоростей:

ДV/V = в = u/c ? 1,0. (1)

Для скользящего тела полный объем V грунта, подвергаемого сдвигу за малый промежуток времени, пропорционален скорости u скольжения, а абсолютная величина объемной деформации ДV -- скорости v частиц грунта. Поэтому относительную деформацию сдвига можно определить соотношением:

ДV/V = г = v/u ? 1,0. (2)

Таким образом, вязкоупругопластическая модель позволяет составить следующие два интегральных уравнения деформирования тел -- при сжатии и сдвиге соответственно:

F = П + Kв - Adu/dy, (3а)

F = П + Kг - Adv/dy. (3б)



В них знак минус перед последним слагаемым учитывает разгружающее свойство текущего граничного слоя, обусловленное одинаковым направлением действия внешней силы F и вязкой составляющей силы сопротивления движению (рисунок 1).

С учетом соотношения (2) для случая линейного распределения скоростей частиц в граничном слое: du/dy ? u/h0 , dv/dy ? v/h0 -- получим приближенную форму уравнений деформирования:

F ? П + Kв - au, (4)

F ? П + Kг - aгu, (5)

a = A/h0 (6)

a -- коэффициент объемной вязкости или просто вязкость граничного слоя. Для констант A, К и П в обоих случаях здесь приняты одинаковые обозначения, но необходимо иметь в виду, что характеризуют они разные процессы и по величине могут быть различными.

При скольжении твердого тела по опорной поверхности с постоянной скоростью (стационарный режим трения, рисунок 1) сила сопротивления движению постоянна. Иными словами, процесс сдвига грунта происходит при постоянной рассеиваемой мощности

dW/dt = Щ = const. (7)

Это дает право заменить в уравнении (5) скорость скольжения тела на отношение мощности к толкающей силе. В этом и состоит упомянутая выше подстановка, которая приводит к квадратному алгебраическому уравнению деформирования граничного слоя:

FІ - (П + Kг)F + aгЩ = 0. (8)



Оно имеет два действительных корня:

, (9)

которые графически представлены на рисунке 3 в функции деформации г = v/u для условия Щ = const. При этом графики (рисунке 3, а) отвечают вязкопластическому характеру сдвига, наблюдаемому при отсутствии упругих свойств контакта (K = 0), и представляют собой комбинацию прямой 1 и параболы 2 с горизонтальной осью; предельная сила сдвига Fпp (при г > ?) в этом случае равна половине пластической составляющей («чистого» трения).

Графики (рис. 3, б) характеризуют вязкоупругий режим сдвига (П = 0) и определяются комбинацией прямой 1 и гиперболы 2 с горизонтальной осью и асимптотой 3; здесь величина «пика» или «горба» в два раза превышает предельное значение функции.

Рисунок 3 - Зависимость силы трения скольжения от относительной деформации для вязкопластического (а), вязкоупругого(б) и вязкоупругопластического (в) граничного слоя (0 - предварительное смещение тела)

Графики (рисунок 3, в) отражают общий случай, при котором существенны все три составляющие трения, и представляют собой комбинацию прямой 1 и гиперболы 2 с вертикальной осью и асимптотой 3, задаваемой уравнением

. (10)

Предельная сила трения в этом случае определяется соотношением

, (11)

которое входит в уравнение асимптоты. Она тем больше, чем значительнее вязкость и меньше жесткость граничного слоя, но не может превышать половину пластической составляющей, в противном случае подкоренное выражение в (9) становится отрицательным. Функциям F1(г) отвечают отрицательные значения радикала в соотношении (9) и жирные линии графиков, функциям F2(г) -- положительные значения радикала и пунктирные линии графиков.

Многочисленные опыты по трению твердых поверхностей и испытанию образцов грунта на сдвиг показывают, что в природе реализуются только представленные на рисунке 3 зависимости типа F1(г). Второй корень уравнения (9) реализуется при мощности, равной нулю, и утверждает простую истину: сила трения покоя равна пластической составляющей или силе «чистого» внешнего трения. Причем оказывается, что острый «пик» кривой сдвига F1(г), наблюдаемый при малом давлении на контакте (идеальный вязкоупругий контакт), сглаживается по мере повышения нормального давления и при вязкоупругопластическом контакте полностью исчезает.



Рисунок 4 - Характеристики сдвига граничного слоя и обусловленные ими законы трения Амонтона (зоны I и III) и Кулона (зона II)

Это обстоятельство отражено на рисунке 4 слева и в полной мере согласуется с полученным здесь теоретическим результатом. Справа показано перестроение этих кривых в кривые зависимости силы или коэффициента трения f = F/P от нормального давления на контакте. Прямая ОА задает изменение предельных значений силы трения, прямая ОБ показывает изменение «пиковых» значений силы для идеального вязкоупругого контакта. В промежутке между этими прямыми, на линии ВГ располагаются сглаженные «пики» кривых сдвига.

Таким образом, максимальные (табличные) значения силы трения задаются ломаной жирной линией ОВГА и образуют на поле нижнего графика три характерные зоны: две зоны Амонтона (зоны I низкого и III высокого давления), характеризуемые постоянством коэффициента трения, и одну зону Кулона (зона II среднего давления), в которой при увеличении нормального давления на контакте коэффициент трения уменьшается по гиперболическому закону. Эта картина отличается от известной, предложенной И.В. Крагельским, наличием зоны низкого давления с максимальным значением коэффициента трения, в два раза превышающим минимальное f0.

Скорость v частиц в потоке граничного слоя (рисунке 1) не может превышать величину u скорости скольжения тела. При малых значениях u величина v того же порядка, при больших из-за наличия инерционных сил в граничном слое может существенно от нее отличаться. Таким образом, при изменении скорости скольжения в диапазоне u = 0 ... ? отношение v/u может изменяться в пределах от единицы до нуля. Полагая это отношение непрерывной и монотонной функцией параметра u, приходим к следующему ее выражению:

. (12)

Здесь показатель д характеризует степень инерционного запаздывания граничного слоя от скользящего тела. При д = 0 никакого запаздывания нет, v = u, граничный слой «прилипает» к поверхности скользящего тела, что характерно для идеально вязкого граничного слоя -- жидкости, газа. При сухом и граничном трении, когда в граничном слое преобладают относительно тяжелые металлические или другие частицы (д ? 0), может наблюдаться его запаздывание, тем большее, чем выше скорость скольжения тела.

Решая последнее соотношение совместно с (5), получаем следующую зависимость силы трения от скорости скольжения тела:

F(u) = П , (13)

при u = 0;

F(u) = (K - au)- дu , (14)

при u ? 0.



Рисунок 5 - Скоростные характеристики силы трения скольжения твердых тел

В зависимости от конкретных значений параметров K, а и д при увеличении скорости скольжения функция F(u) может непрерывно возрастать, непрерывно убывать, иметь минимум или максимум (рисунок 5). Тем самым она способна описать все многообразие скоростных характеристик трения, встречающихся в инженерной практике.

Проведенные теоретические исследования показали, что скорость погружения плунжера будет оказывать влияние на сопротивление проникновению плунжера в почву.

Для возможности сопоставления результатов определения твердости почвы необходимо обеспечивать одинаковую скорость погружения плунжера в почву.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» приводится предлагаемая программа работ по проведению экспериментальных исследования которая направлена на проверку достоверности теоретических исследований, разработку методики и средств определения твердости почвы.

Первый этап - подготовительная работа:

- определение методики проведения эксперимента;

- определение состава необходимого стендового оборудования;

- определение технических средств для проведения экспериментов;

- определение состава поверенных измерительных средств, для обеспечения необходимой точности и достоверности получаемых экспериментальных данных;

- определение численного состава исполнителей.

Второй этап - проведение экспериментальных исследований:

- проведение технической экспертизы стендового оборудования;

- проверка условий проведения испытаний;

- проверка метрологических показателей стендового оборудования;

- проведение экспериментальных исследований.

Третий этап - обработка полученных результатов:

- систематизация полученных результатов;

- классификация;

- проведение анализа.

В качестве оборудования для определения твердости почвы предлагается использовать разработанный в Новокубанском филиале ФГНУ «Росинформагротех» мобильный электронный твердомер почвы ИП271.

Для измерителя твердости почвы ИП 271 основными требованиями являлись механизация и автоматизация технологического процесса определения твердости почвы, обеспечивающего равномерность погружения плунжера в почву на глубину не менее 400мм при нагрузке на плунжер в пределах от 20 до 70 кг/см2. Структурная схема ИП271 представлена на рисунке 6, где 1 - датчик верхнего положения плунжера; 2 - датчик нижнего положения плунжера; 3 - датчик перемещения плунжера (инкрементальный энкодер); 4 - тензометрический датчик; 5 - блок питания электронного измерителя твердости почвы; 6 - интегральный аналого-цифровой преобразователь; 7 - жидкокристаллический дисплей; 8 - микрокомпьютер с программой и энергонезависимой памятью; 9 - клавиатура; 10 - аккумуляторная батарея; 11 - мотор-редуктор; 12 - аварийный концевой выключатель.

Перед проведением лабораторных экспериментальных исследований была проведена калибровка твердомера ИП271. Для калибровки тензоканала использовался калибровочный стенд ИП272 с набором поверенных гирь. Для калибровки датчика перемещения используется поверенная рулетка РЗ-10.

Рисунок 6 - Структурная схема измерителя твердости почвы

Перед началом каждой сети опытов, для модельной среды, использующейся в исследованиях (просеянная почва и высушенный речной песок), определяется плотность и влажность.

Для дальнейшей обработки результатов измерений на персональном компьютере, проведенных с помощью мобильного электронного твердомера ИП271, используется программа TVERD. Она позволяет получать данные с ИП271 через COM-порт или порт USB, сохранить их в текстовом формате или в базе денных, произвести их дальнейшую обработку, построить графики зависимостей твердости почвы от глубины погружения и сохранить эти графики в файле формата *.gif .

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приводится описание модельной среды для проведения опытов по измерению твердости почвы, характеристики плунжеров, используемых в экспериментальных исследованиях.

Первая серия опытов посвящена исследованию влияния формы плунжера на величину измеренной твердости почвы. Для этой серии опытов использовались плунжеры с площадью поперечного сечения 2,01 см2, конической формы (с углом при вершине 30 и 60), цилиндрической формы и в форме полусферы. Обработка полученных результатов показала - разброс значений твердости почвы полученных при использовании одного плунжера незначителен (рисунок 7). Сравнение значений твердости почвы полученных при помощи плунжеров разной формы отличаются (рисунок 8). Применив к полученным данным методы математической статистики, вычислим среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации, ошибку опыта и точность опыта по каждому плунжеру. Наилучшие показатели по среднему квадратическому отклонению, коэффициенту вариации и ошибке опыта имеет плунжер - конус с углом при вершине 60, поэтому дальнейшие опыты будем проводить с плунжерами этой формы.

Опыт 1 - плунжер №1 угол при вершине 60 скорость погружения 10 мм/с; Опыт 2 - плунжер №1 угол при вершине 60 скорость погружения 10 мм/с; Опыт 3 - плунжер №1 угол при вершине 60 скорость погружения 10 мм/с;

Рисунок 7 - Зависимость твердости почвы от глубины погружения в нее плунжера конической формы



Плунжер №1 - конус 60, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 10 мм/с; Плунжер №2 - конус 30, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 10 мм/с; Плунжер №3 - цилиндр, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 10 мм/с; Плунжер №4 - полусфера, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 10 мм/с

Рисунок 8 - Зависимость твердости почвы от глубины погружения в нее плунжеров различных форм

Вторая серия опытов посвящена исследованию влияния площади поперечного сечения плунжера на величину измеренной твердости почвы. Для этой серии опытов использовались плунжеры конической формы с углом при вершине 60 и площадью поперечного сечения 2,01 см2 и 6,29 см2. Сравнение полученных данных (рисунок 9) и результатов их обработки с помощью математической статистики позволяет сделать вывод - измеренные показания твердости почвы не зависят от площади поперечного сечения плунжера. В то же время для увеличения точности измерения для почвы с меньшей твердостью надо выбирать плунжер с большей площадью поперечного сечения.



Плунжер №1 - конус 60, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 10 мм/с; Плунжер №5 - конус 60, площадь сечения 6,29 см2, скорость погружения 10 мм/с;

Рисунок 9 - Зависимость твердости почвы от глубины погружения измеренная плунжерами с разной площадью поперечного сечения.

Третья серия опытов была посвящена исследованию влияния скорости погружения плунжера на величину измеренной твердости почвы. Для этой серии опытов использовался плунжер конической формы с углом при вершине 60 и площадью поперечного сечения 2,01 см2. Для изменения скорости погружения плунжера использовался импульсный стабилизированный блок питания с возможностью регулировки выходного напряжения. После проведения опытов и обработки результатов на персональном компьютере с помощью программы TVERD, были получены средние зависимости твердости почвы от глубины погружения плунжеров (рисунок 10) из которых видно, что увеличение скорости погружения плунжера ведет к увеличению измеренных показаний твердости почвы. Результаты этой серии опытов подтверждают выводы, полученные при проведении теоретических исследований.



Плунжер №1 - конус 60, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 10 мм/с; Плунжер №1 - конус 60, площадь сечения 2,01 см2, скорость погружения 15 мм/с;

Рисунок 10 - Зависимость твердости почвы от глубины погружения в нее плунжера с разной скоростью погружения

Проанализировав результаты теоретических и экспериментальных исследований, мы приходим к однозначному выводу - для получения достоверных и сопоставляемых данных о твердости почвы необходимо:

- полностью исключить влияние человеческого фактора на процесс измерения твердости почвы;

- использовать измерители твердости почвы с одинаковой скоростью погружения плунжера для устранения влияния неоднородности почвы в разных климатических зонах, неодинаковое влияние состава этих почв на зависимость силы трения от скорости движения плунжера.

В пятом разделе «Практическая реализация и экономическая эффективность результатов исследования» отражено несколько основных направлений использования разработанной методики и технического средства:

- проведение государственных испытаний сельскохозяйственной техники на зональных машиноиспытательных станциях, с целью обеспечения требований к условиям проведения испытаний, предложенная методика и техническое средство призваны заменить существующие твердомеры и пенетрометры с целью повышения точности определения твердости почвы, обеспечить снижение трудоемкости проведения измерений и оперативности получения результатов;

- для сельхозпроизводителей - знание твердости почвы на разных горизонтах обрабатываемой почвы необходимо для задания оптимальных настроек сельскохозяйственных почвообрабатывающих машин и выбора необходимых почвообрабатывающих орудий, что позволяет в ряде случаев отказаться от некоторых операций и в значительной степени увеличить экономию горючего;

- для агрономов - знание твердости почвы позволит заранее принять меры по обеспечению оптимальных условий произрастания растений.

Для определения экономической эффективности разработанного технического средства было проведено сравнение опытного образца ИП271 и базового варианта измерителя твердости почвы ИП232. Были проведены расчеты затрат на оплату обслуживающего персонала, электроэнергии, услуг по проведению поверки и калибровки, амортизацию. Годовой экономический эффект при обследовании площади в 50 га и количестве замеров 100 на 1 га составил 52,328 тыс. рублей, и срок окупаемости составил менее 1,91 лет.



ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих методов и средств определения твердости почвы показал, что, несмотря на их многообразие, по-прежнему остро стоит вопрос получения достоверных сведений о твердости почвы. Также не решен вопрос по проведению мониторинга твердости почвы и составления карты полей. Одним из наиболее эффективных путей решения этих вопросов является применение автоматизации и компьютерной техники для получения исходных данных и их последующей компьютерной обработки.

2. Во всех проанализированных методах и средствах измерения твердости почвы одним из неустранимых факторов, влияющих на получаемые показания при определении твердости почвы, является влияние человеческого фактора, поскольку большая часть средств для определения твердости почвы заглубляется в почву под действием физической силы оператора.

3. Теоретическими исследованиями установлены аналитические зависимости влияния скорости погружения плунжера при измерении твердости почвы, на определяемое сопротивление проникновения. Из проведенных теоретических исследований следует, что- для обеспечения сопоставимости результатов измерений необходимо применение автоматического привода штока плунжера и обеспечение постоянной скорости погружения плунжера.

4. Для проверки результатов теоретических исследований была составлена методика экспериментальных исследований. На первом этапе - была проведена подготовительная работа по определению состава необходимого стендового оборудования, технических и поверенных измерительных средств для обеспечения необходимой точности и достоверности получаемых экспериментальных данных. На втором этапе - проведение экспериментальных исследований, включающие в себя, в том числе, проверку условия проведения испытаний и проверку метрологических показателей стендового оборудования.

5. Для экспериментальных исследований в качестве измерителя твердости почвы использовался опытный образец прибора ИП271, разработанный в Новокубанском филиале ФГНУ «Росинформагротех». ИП271 удовлетворяет агротехническим требованиям, предъявляемым к средствам измерения твердости почвы - для перемещения штока имеется привод от электродвигателя с редуктором, обеспечивающий постоянную скорость погружения плунжера. Контроллер преобразует сигнал от тензодатчика, проводит первичную обработку полученных сигналов и сохраняет их в энергонезависимой памяти.

6. Для обработки полученных экспериментальных данных на персональном компьютере использовалась программа TVERD, которая позволяет получать данные с контроллера ИП271, сохранять их в базе данных, обрабатывать и строить графики зависимости твердости почвы от глубины погружения плунжера.

7. Результаты лабораторных исследований, проведенные с плунжером конической формы, с углом при вершине 600 и площадью 2,01см2, показали зависимость сопротивления проникновения плунжера в почву от скорости погружения (при изменении скорости погружения плунжера с 10 мм/с до 15 мм/с, измеренная величина твердости почвы увеличилась на 25%).

8. При сравнении двух образцов твердомеров (базовой - ИП232 с ручным приводом и опытной - ИП271) можно сделать следующие выводы:

- разработанный мобильный электронный твердомер ИП 271 при проведении опытов имеет более чем в 3 раза выше производительность по сравнению с базовым прибором;

- благодаря возможности сохранения данных в энергонезависимой памяти и передачи их непосредственно на персональный компьютер, время, необходимое для обработки результатов, сократилось более чем в 5 раз;

- использование совместно с ИП271 системы спутниковой навигации позволяет создавать карты твердости почвы полей для системы точного земледелия.

9. Экономические расчеты подтверждают, что применении ИП271 экономически целесообразно. Годовой экономический эффект при обследовании площади в 50 га и количестве замеров 100 на 1 га составил 52,328 тыс. рублей, и срок окупаемости составил менее 1,91 лет.



ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Трубицын, Н.В. Измеритель твердости почв. [Текст] / И.М. Киреев, Н.В. Трубицын, З.М. Коваль и др. // Тракторы и сельхозмашины. - М., - ISSN 0235-8573. 2010. - №3. - С. 11-12.

2. Трубицын, Н.В. Новые приборы и программные средства для эксплуатационно-технологической оценки сельхозмашин. [Текст] / И.В. Фролов, Н.В. Трубицын, И.В. Пронин // Техника и оборудование для села. - М., - ISSN 2072-9642. 2010. - №3. - С. 23-24.

Патенты РФ

3. Пат. На пол. мод. 78574 РФ, МКИ3 G01N 9/00. Устройство для измерения твердости почвы/ И.М. Киреев; Н.В. Трубицын; З.М. Коваль - №2008129960; Заявлено 21.07.2008;Опубл. 27.11.2008, Бюл. №33.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

4. Трубицын, Н.В. Измерители твердости почвы [Текст] / Н.В. Трубицын // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: сб. науч. докл. VII Международной научно - технической конференции, г. Москва. В 5 ч. Ч.5. Инфокоммуникационные технологии и нанотехнологии - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - С. 145 - 148.

5. Трубицын, Н.В. Измеритель твердости почвы [Текст] / И.М. Киреев, В.Е. Таркивский, Н.В. Трубицын и др.// Информационные технологии, системы и приборы в АПК: сб. науч. докл. IV Международной научно - практической конференции «АГРОИНФО 2009», г. Новосибирск. В 2 ч. Ч.1. - Новосибирск.: Сибирский физико-технический институт аграрных проблем СО Россельхозакадемии, 209. - С. 287 - 290.

Размещено на Allbest.ru

...