Совершенствование технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Петров Виталий Александрович

Саратов 2009



Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бойков Василий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Павлов Иван Михайлович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Соколов Николай Михайлович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА»

Защита диссертации состоится 30 октября 2009 г. в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, д. 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

Отзывы направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1.

Автореферат разослан «___» октября 2009 г. и размещен на сайте: www. sgau.ru «___» октября 2009 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и

кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основная обработка почвы является самой энергоемкой операцией при производстве продукции сельского хозяйства. На ее долю приходится около половины всех энергоресурсов, используемых в растениеводстве. Вместе с тем качество основной обработки существенно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур.

В настоящее время при производстве зерновых культур наблюдается тенденция перехода на мелкую мульчирующую основную обработку почвы. Однако, как показывают исследования, технология мелкой мульчирующей обработки значительно отличается от традиционного технологического процесса, выполняемого плугами общего назначения, и во многом сложнее его. Толщина верхнего мульчирующего слоя должна быть одинаковой в любом месте обрабатываемого пласта почвы и не должна превышать 4-7 см. Глубина обрабатываемого слоя почвы должна составлять 10-16 см, при этом мульчирующий слой не должен быть перемешан с нижележащим раскрошенным слоем почвы.

Дисковые бороны и дискаторы, применяемые для мелкой обработки почвы, производят интенсивное крошение и перемешивание пахотного слоя, имеют высокое тяговое сопротивление. При этом происходит разрушение структуры почвы, образование эрозионно-опасных частиц, иссушение почвы и создание благоприятных условий для быстрого размножения сорных растений. почва мульчирующий энергоемкость

Комбинированные почвообрабатывающие орудия отечественного и иностранного производства, состоящие из комбинации нескольких последовательно расположенных рабочих органов, не обеспечивают требуемого качества обработки почвы, производят перемешивание стерни и растительных остатков в обрабатываемом слое. При работе этих машин на почвах высокой твердости наблюдается неудовлетворительная заглубляемость. Наряду с этим данные орудия имеют низкую производительность и высокую энергоемкость технологического процесса обработки почвы.

В связи с этим возникла необходимость в разработке более совершенной технологии мелкой мульчирующей обработки почвы и создания почвообрабатывающих орудий для ее выполнения.

Цель работы. Повышение качества и снижение энергоемкости мелкой мульчирующей обработки почвы за счет применения почвообрабатывающего орудия с комбинированными рабочими органами.

Объект исследований. Технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы, выполняемый почвообрабатывающим орудием с комбинированными рабочими органами.

Предмет исследований. Закономерности снижения энергоемкости и повышения качества мелкой мульчирующей обработки почвы при взаимодействии с обрабатываемым слоем почвы почвообрабатывающего орудия с комбинированными рабочими органами.

Методика исследования. Общая методика исследований предусматривала разработку рационального технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы, механико-технологическое обоснование новых комбинированных рабочих органов и почвообрабатывающего орудия. Теоретические исследования рационального технологического процесса, выполняемого почвообрабатывающим орудием с комбинированными рабочими органами, проводились с использованием основных положений классической механики, математики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования проводились в лабораторно-полевых и хозяйственных условиях в соответствии с действующими ГОСТами и частными методиками. Обработка результатов экспериментов выполнялась с использованием статистических методов с применением ПК.

Научная новизна. Разработан рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы, обоснована конструктивно-технологическая схема нового комбинированного рабочего органа и почвообрабатывающего орудия для мелкой мульчирующей обработки почвы. Получены аналитические выражения, позволяющие определить основные параметры рабочих органов и почвообрабатывающего орудия.

Практическая значимость. Разработанное почвообрабатывающее орудие с комбинированными рабочими органами снижает себестоимость механизированных работ по сравнению с комбинированным почвообрабатывающим орудием фирмы LEMKEN «Smaragd 9/500К» на 25,7 %, обеспечивает повышение степени крошения почвы на 19 % при соблюдении всех агротехнических требований и снижение удельного тягового сопротивления на 24 %. Разработанное почвообрабатывающее орудие с комбинированными рабочими органами испытывалось на Поволжской МИС (Самарская область, п. Усть-Кинельский), которая рекомендует поставить его на серийное производство.

Реализация результатов исследований. Почвообрабатывающие орудия ПБК-3,3 и ПБК-5,4 с комбинированными рабочими органами использовались для основной обработки почвы на полях: ООО АПК «Лидер» (Саратовская область, Марксовский район), ОПХ «ВолжНИИГиМ»-филиала ФГНУ «ВолжНИИГиМ» (Саратовская область, Энгельсский район) и на полях Поволжского НИИСС (Самарская область, Кинельский район). Результаты теоретических исследований рекомендуется использовать научно-исследовательскими институтами, конструкторскими бюро и машиностроительными заводами при разработке рабочих органов и почвообрабатывающих орудий, а также включить в учебный процесс по изучению дисциплины «Сельскохозяйственные машины».

Апробация. Результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях кафедры «Сельскохозяйственные машины» СГАУ им. Н.И. Вавилова в 2007-2009 гг., на конференции, посвященной 120 годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова 26-30 ноября 2007 г., на международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию Саратовского госагроуниверситета 26-27 ноября 2008 г., на III Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ общим объемом 1,27 печатных листа, из них лично соискателю принадлежат 2 статьи общим объемом 0,45 п.л., патент на полезную модель РФ № 75822. Опубликована одна статья в издании, включенном в «Перечень ведущих журналов и изданий…» ВАК РФ, объемом 0,2 п.л. Остальные работы опубликованы в сборниках научных трудов, сборниках материалов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 45 рисунков, 27 фотографий и 17 приложений. Библиографический список включает 130 наименований, в том числе 11 на иностранных языках.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы;

- конструктивно-технологическая схема комбинированного рабочего органа и почвообрабатывающего орудия;

- аналитические зависимости для определения основных параметров комбинированного рабочего органа и почвообрабатывающего орудия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и значимость темы.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований», рассмотрены почвообрабатывающие орудия для мелкой мульчирующей обработки почвы и агротехнические требования, предъявляемые к ним. Проведен анализ технологических процессов, выполняемых известными почвообрабатывающими орудиями, результаты их работы, указаны дальнейшие направления развития почвообрабатывающих орудий для мелкой мульчирующей обработки почвы, реализованных в почвообрабатывающих орудиях серии ПБО (ПБО - почвообрабатывающее орудие).

Исследованиями В.П. Горячкина, Н.В. Щучкина, Г.Н. Синеокова, И.М. Панова, А.Т. Вагина, П.Н. Бурченко, Е.И. Овсинского, П.У. Бахтина, Т.С. Мальцева, Н.М. Тулайкова, В.И. Румянцева, А.П. Спирина, В.М. Бойкова, В.И. Кирюшина, А.Г. Рыбалко и др. установлено, что для снижения энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы предлагается переходить на мелкую обработку, а для накопления влаги, предотвращения водной и ветровой эрозии почвы целесообразно производить мульчирование пашни соломой и растительными остатками.

Для выполнения мелкой обработки почвы используются традиционные почвообрабатывающие орудия: плуги-лущильники, культиваторы-плоскорезы, дисковые бороны и дискаторы. Однако данные орудия качественно выполняют технологический процесс мелкой обработки только в узком диапазоне влажности и твердости почв и не производят мульчирования верхнего слоя.

В настоящее время для повышения качества обработки почвы стали применять комбинированные почвообрабатывающие орудия отечественного (КСН-3,0; КПИР-7,2; АПК-6 и др.) и иностранного производства фирмы LEMKEN «Smaragd» и фирмы AMAZONE «Pegasus».

В результате анализа технологических процессов обработки почвы, выполняемых известными комбинированными орудиями, было установлено, что данные орудия разрушают структуру почвы, не обеспечивают эффективного поглощения влаги в обрабатываемом слое, выполняют нетехнологическое перемещение слоев почвы, не защищают почву от водной и ветровой эрозии. При этом гребнистость, степень крошения почвы не соответствуют агротехническим требованиям (АТТ), а заделка стерни производится на различную глубину.

В соответствии с результатами анализа и поставленной целью в работе предусмотрено решить следующие задачи:

-разработать рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы;

-обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного рабочего органа и почвообрабатывающего орудия;

-определить основные параметры предлагаемого рабочего органа и почвообрабатывающего орудия;

-провести лабораторно-полевые исследования технологического процесса мелкой мульчирующей обработки, выполняемого почвообрабатывающим орудием с комбинированными рабочими органами;

-оценить эффективность применения предлагаемого почвообрабатывающего орудия с комбинированными рабочими органами на мелкой мульчирующей обработке почвы и дать его экономическую оценку.

Во втором разделе «Теоретические исследования технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы и почвообрабатывающего орудия для его выполнения» разработан рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы, конструктивно-технологические схемы нового рабочего органа и почвообрабатывающего орудия, обоснованы основные параметры нового рабочего органа и почвообрабатывающего орудия.

Исследованиями установлено, что разложение послеуборочных остатков на поверхности почвы протекает намного медленнее, чем заделанных на небольшую глубину, и зависит от способа их заделки. Стерня, заделанная в почву, разлагается быстрее, чем не заделанная за счет разложения стебля стерни. Для создания оптимальных условий проникновения влаги в почву, стерню необходимо заделывать в наклонном положении в мульчирующий слой (рис. 1). При длине стерни l = 20-25 см и толщине мульчирующего слоя а₂ = 5 см угол наклона стерни к горизонту целесообразно принять = 15-25° (см. рис. 1). На поверхности поля будет оставаться часть стерни l₂, а часть стерни l₁ будет заделана в мульчирующий слой, который находится на раскрошенном слое почвы.

Рис. 1. Схема мульчирующего слоя

Рис. 2. Схема рационального технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы



В результате мульчирующий слой, состоящий из раскрошенной почвы, измельченной соломы, растительных остатков и стерни, расположенной под углом и заделанной в почву на длину l₁, будет способствовать проникновению влаги в обрабатываемый слой, а часть стерни длиной l₂ или 20-30 % не заделанной стерни будет защищать пахотный слой от водной и ветровой эрозии.

На основании вышеизложенного и анализа образования мульчирующего слоя известными комбинированными почвообрабатывающими орудиями был разработан рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы (рис. 2).

Выполнение рационального технологического процесса будет происходить следующим образом: обрабатываемый слой почвы, состоящий из вертикально расположенной стерни, измельченной соломы и растительных остатков (рис. 2, а), крошится на глубину 16 см (рис. 2, б). Затем на глубине до 5 см производится образование мульчирующего слоя (рис. 2, в) за счет перемешивания раскрошенной почвы, измельченной соломы и растительных остатков. При этом производится заделка стерни на 70-80 % в мульчирующий слой в наклонном положении (рис. 2, г). Для эффективного крошения обрабатываемого слоя необходимо использовать стрельчатую лапу, ширина захвата которой меньше ширины захвата лап, применяемых, к примеру, в КСН-3,0 (ширина захвата 520 мм). На основании анализа процессов образования мульчирующего слоя рабочими органами известных почвообрабатывающих орудий было установлено, что образование мульчирующего слоя (см. рис. 1; 2) целесообразно выполнить по схеме (рис. 3), за счет применения измененной части лемешно-отвальной рабочей поверхности корпуса плуга-лущильника - мульчеобразователя. Мульчеобразователь криволинейной формы, находящийся над стрельчатой лапой, должен производить сдвиг верхнего слоя почвы (до 5 см) (см. рис. 3, а), наклон стерни и ее заделку раскрошенной почвой (см. рис. 3, г).



Рис. 3. Схема технологического процесса образования мульчирующего слоя

На базе безотвального рабочего органа почвообрабатывающих орудий серии ПБО (ширина захвата стрельчатой лапы 280 мм) были разработаны конструктивно-технологические схемы комбинированных рабочих органов для выполнения рационального технологического процесса (рис. 4).



Рис. 4. Конструктивно-технологические схемы комбинированных рабочих органов: а-конструкция рабочего органа при г = 45°; б-конструкция рабочего органа при г = 38°: 1-стойка; 2-правый лемех; 3-левый лемех; 4-вертикальный лемех; 5-мульчеобразователь; Д₁-величина смещения правого лемеха относительно левого, h₁-расстояние между нижним обрезом мульчеобразователя и стрельчатой лапой; l^'-расстояние от вершины мульчеобразователя до линии сгиба; Г-отогнутая часть

Рис. 5. Схема для определения моментов сил сопротивления почвы: 1-стойка 2-правый лемех; 3-левый лемех; 4-мульчеобразователь.



Установлено, что для повышения степени крошения почвы и снижения тягового сопротивления необходимо, чтобы правый лемех 2 был смещен относительно левого 3 на величину Д₁, а нижний обрез мульчеобразователя, прямолинейной формы или выполненный по ломаной линии, находился выше стрельчатой лапы на расстоянии h₁. При этом у мульчеобразователя должна быть отогнутая часть Г (см. рис. 4). Техническая новизна рабочих органов подтверждена патентом на полезную модель № 75822.

Для обеспечения прямолинейности или стабильности движения рабочего органа (см. рис. 4) в обрабатываемом слое почвы на основании схемы (рис. 5) необходимо выполнение следующего условия:

, (1)

, (2)

, (3)

М₁, М₂, М₃,-моменты сопротивлений Р₁, Р₂, Р₃ Нм; Р₁, Р₂, Р₃ - сила сопротивления перемещению, соответственно правого, левого лемеха и мульчеобразователя, Н; , - угол отклонения сил сопротивления Р₁, Р₂, Р₃ от направления движения, град; l₄, l₅, l₆,, b₇, b₈, b₉ - плечи сил сопротивления Р_1x, Р_2x, Р_3x, Р_1y, Р_2y, Р_3y, м; г_пр, г_лев, -углы постановки соответственно лезвий правого, левого лемехов и мульчеобразователя к направлению движения, град.

По исследованиям Г.Н. Синеокова можно принять, что при полученных значениях г_пр, г_лев, , величина угла , находятся в интервале значений 10-28°, а , , .

Основные параметры рабочего органа определялись на основании анализа тягового сопротивления. Тяговое сопротивление рабочего органа определяется по следующей формуле:



, (4)

где Р₁, Р₂, Р₃-тяговое сопротивление соответственно левого, правого лемехов и мульчеобразователя, Н.

Тяговое сопротивление правого или левого лемеха определяется по выражению:

, (5)

где -сила, необходимая для смятия почвы затылочной фаской лемеха, -сила, необходимая для крошения почвы рабочей поверхностью лемеха, -сила, необходимая для подъема пласта почвы, находящегося на рабочей поверхности лемеха, -сила динамического давления пласта почвы, находящегося на рабочей поверхности лемеха, Н.

Сила, необходимая для смятия почвы затылочной фаской лемеха.

, (6)

где -коэффициент объемного смятия почвы, Н/м³; -длина лезвия лемеха, м; -толщина слоя почвы, сминаемого затылком лезвия, м; -угол затылочной фаски, град; -угол постановки лезвия лемеха к направлению движения, град; f-коэффициент трения почвы о рабочую поверхность лемеха.

Сила, необходимая для крошения обрабатываемого слоя почвы рабочей поверхностью лемеха, работающего в условиях блокированного резания.

, (7)



где ф₁-коэффициент чистого сдвига почвы, Н/м²; а-глубина обработки почвы, м; -угол крошения, град; -угол сдвига почвы в продольно-вертикальной плоскости, град; -угол сдвига почвы в поперечно-вертикальной плоскости, град.

Сила, необходимая для крошения обрабатываемого слоя почвы рабочей поверхностью лемеха, работающего в условиях полублокированного резания.

, (8)

Сила, необходимая для крошения обрабатываемого слоя почвы рабочей поверхностью лемеха, работающего в условиях открытого резания.

, (9)

Сила, необходимая для подъема пласта почвы, находящегося на рабочей поверхности лемеха.

, (10)

где -ширина захвата правого лемеха, м; -плотность почвы, кг/м³; g-ускорение свободного падения, м/с².

Сила, динамического давления пласта почвы, находящегося на рабочей поверхности лемеха, определяется по следующей формуле:

,



где -масса пласта почвы находящегося на лемехе, кг; х- скорость перемещения пласта по рабочей поверхности лемеха, м/с.

Сила необходимая для перемещения раскрошенной почвы мульчеобразователем.

, (12)

где h₁-расстояние между стрельчатой лапой и нижним обрезом мульчеобразователя, м; ц-угол внутреннего трения почвы, град; х-скорость перемещения пласта по рабочей поверхности мульчеобразователя, м/с; с'-плотность раскрошенной почвы, кг/м³.

В результате расчета тягового сопротивления по выражениям (4-12) в зависимости от основных параметров рабочего органа, было установлено, что минимальное тяговое сопротивление, с учетом обеспечения прямолинейного движения комбинированного рабочего органа, наблюдается при следующих значениях: угол крошения правого лемеха в_ПР = 31°; угол крошения левого лемеха в_ЛЕВ = 17°; угол постановки лезвия правого лемеха к направлению движения г_ПР = 38°; угол постановки лезвия левого лемеха к направлению движения г_ЛЕВ = 36°; ширина захвата рабочего органа b = 310 мм; ширина захвата правого лемеха b₁ = 160 мм; а левого b₂ = 150 мм, угол постановки мульчеобразователя к направлению движения г₁ = 30°; величина продольного смещения правого лемеха относительно левого Д₁ = 35-75 мм; расстояние между нижним обрезом мульчеоразователя и стрельчатой лапой h₁ не более 50 мм, при этом форму нижнего обреза и величину изгиба верхней наиболее удаленной от стойки рабочей поверхности мульчеобразователя Г (см. рис. 4) необходимо определить при лабораторно-полевых исследованиях.

Был произведен расчет тягового сопротивления рабочего органа с данными параметрами. На основании полученных результатов построены диаграммы баланса составляющих сил необходимых для преодоления сопротивления почвы при перемещении рабочего органа (рис. 6), из которой видно, что тяговое сопротивление в основном зависит от силы, необходимой для крошения почвы рабочей поверхностью лемехов.

Рис. 6. Диаграмма составляющих сил, необходимых для преодоления сопротивления почвы при перемещении рабочего органа: FФ-сила, необходимая для смятия почвы затылочной фаской лемеха; FК-сила, необходимая для крошения почвы рабочей поверхностью лемеха; FG- сила, необходимая для подъема пласта почвы, находящегося на рабочей поверхности лемеха; FF-сила, необходимая для динамического подъема почвы лемехом; F3-сила динамического давления пласта почвы находящейся на рабочей поверхности лемеха

Анализ различных схем расстановки рабочих органов показал, что рациональным вариантом является фронтальная четырехрядная схема.

Разработана конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающего орудия и определены основные его параметры для агрегатирования с тракторами тягового класса 5 (рис. 7). Было определено, что В₁ = 5,4 м; L₂ = 0,28 м; L₃ = 0,55 м; В₄ = 2,2 м; В₅ = 1,1 м.



Рис. 7. Конструктивно-технологическая схема нового почвообрабатывающего орудия для мелкой мульчирующей обработки почвы: B1-ширина захвата орудия; L2-расстояние между рабочими органами в ряду; L3-длина орудия; В4-расстояние между стойками рабочих органов; В5-расстояние между смежными рабочими органами в ряду: 1-рабочие органы; 2-рама; 3-опорные колеса; 4-навесное устройство; 5-механизм регулировки глубины обработки; А-точка прицепа почвообрабатывающего орудия; Д-линия тяги трактора.

Для обеспечения прямолинейного движения почвообрабатывающего орудия необходимо, чтобы относительно точки А, находящейся на линии тяги трактора Д, сохранялось условие равновесия почвообрабатывающего орудия в горизонтальной плоскости. Условие прямолинейного движения почвообрабатывающего орудия в горизонтальной плоскости:

, (13);

где , -сумма моментов сопротивлений, действующих соответственно с правой и левой сторон на почвообрабатывающее орудие, относительно линии тяги трактора, Н·м,



, (14)

где ,, -тяговое сопротивление соответственно рабочих органов работающих в условиях блокированного, полублокированного и открытого резания, Н; e₁, e₂, e₃, e₄, e₅-расстояние от центра рабочего органа до линии тяги трактора, м.

При выполнении условия (14) тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия определяется по следующему выражению:

, (15)

а удельное тяговое сопротивление по следующему выражению:

. (16)

Рис. 8. Зависимость тягового Ро и удельного тягового Ру сопротивления почвообрабатывающего орудия от скорости движения х: 1, 2-тяговое сопротивление при глубине обработки а = 16 см; и а = 18 см; 3, 4-удельное тяговое сопротивление при глубине обработки а =16 см и а =18 см.



Расчетная зависимость тягового и удельного тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия с комбинированными рабочими органами при глубине обработки почвы а = 16 см и а = 18 см от скорости движения представлена на рис. 8.

Анализ представленных зависимостей показал, что тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия при изменении скорости от 1,3 до 3,4 м/с нелинейно изменяется и находится в интервале значений 45,3-53,4 кН, то есть соответствует тяговым и мощностным характеристикам тракторов тягового класса 5.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа экспериментальных исследований с описанием оборудования, применяемого в лабораторно-полевых исследованиях и методика исследований. При проведении лабораторно-полевых исследований на полях, находящихся в зоне деятельности ФГУ Поволжской МИС Самарской области и хозяйствах Саратовской области, руководствовались методиками Поволжской МИС и методиками, изложенными в ОСТ 10 4.1-2001, ОСТ 10 2.2-2002, ГОСТ 24057-88 «Испытания сельскохозяйственной техники». Условия проведения испытаний определялись согласно ГОСТ 20915-75.

В четвертом разделе «Результаты и анализ лабораторно-полевых исследований технологического процесса, выполняемого экспериментальными рабочими органами и почвообрабатывающим орудием», проведены лабораторно-полевые исследования технологического процесса, выполняемого экспериментальными рабочими органами и определены качественные и энергетические показатели технологического процесса, выполняемого экспериментальным почвообрабатывающим орудием.

Лабораторно-полевые исследования технологического процесса мелкой мульчирующей обработки почвы, выполняемого новыми рабочими органами, проводились в 2007-2008 г.г. на Поволжской МИС (Самарская область Кинельский район п. Усть-Кинельский) и полях Поволжского НИИСС (Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства).

Лабораторно-полевыми исследованиями технологического процесса, выполняемого комбинированными рабочими органами у которых г_пр = г_лев = 45° (см. рис. 4, а), установленными на почвообрабатывающее орудие ПБК-5,4 (ПБК-почвообрабатывающее орудие комбинированное шириной захвата 5,4 м), было определено, что рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы выполняется с качеством, удовлетворяющим агротехническим требованиям.

Для качественной обработки влажных почв и лучшего подрезания сорняков углы постановки лезвий лемехов рабочего органа к направлению движения были уменьшены с 45° до 38° (см. рис. 4, б). При этом для увеличения степени крошения почвы и снижения тягового сопротивления правый лемех сместили относительно левого Д₁ с 35 мм до 75 мм и изменили форму рабочей поверхности мульчеобразователя. Нижний обрез мульчеобразователя был выполнен в виде ломаной линии и находился выше стрельчатой лапы на расстоянии h₁ = 50 мм, а верхняя наиболее удаленная от стойки часть мульчеобразователя на длине l^' = 60 мм отогнута на 35°.

Агротехнические показатели технологического процесса, полученные в результате работы почвообрабатывающего агрегата, состоящего из тракторов К-701 или К-744 и орудия ПБК-5,4, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Агротехнические показатели технологического процесса, выполняемого почвообрабатывающим орудием ПБК-5,4

Показатель	Значение показателя:
Состав агрегата	К-701+ПБК-5,4	К-744+ПБК-5,4
Высота сорных растений, растительных и пожнивных остатков, см	21,8	28,5
Скорость движения, км/ч	1,66	2,0	2,22	2,77
Ширина захвата, м	5,4
Глубина обработки, см	16,5	16,4	18,4	18,5
Среднее квадратическое отклонение, ±см	1,1	1,1	1,3	1,6
Крошение почвы, %, размер комков, мм: до 50 мм включительно	85,7	81,1	92,4	93,2
Гребнистость поверхности поля, см	2,2	2,3	1,7	1,6
Заделка стерни, %	74,2	77,7	73,1	77,2
Подрезание сорных растений, %	100

Из таблицы 1 видно, что почвообрабатывающее орудие ПБК-5,4 с комбинированными рабочими органами у которых г = 38° при глубине обработки 16 и 18 см обеспечивает высокую стабильность хода, среднее квадратическое отклонение глубины находится в пределах 1,1-1,6 см (по АТТ ± 2 см). Фракции почвы размером до 50 мм составляли 81,1-93,2% (по АТТ-не менее 75 %). Высокая степень крошения почвы наблюдалась за счет использования в рабочем органе стрельчатой лапы шириной захвата 310 мм, которая устанавливалась на почвообрабатывающее орудие с интервалом между рабочими органами В₄ = 280 мм (рис. 7), а также вследствие продольного смещения по ходу движения правого лемеха относительно левого на величину Д₁ = 75 мм. В результате расстановки рабочих органов по фронтальной четырехрядной схеме гребнистость поверхности поля удовлетворяла агротехническим требования и составляла 1,6-2,3 см; заделка стерни - 73,1-77,8 % за счет использования криволинейной рабочей поверхности мульчеобразователя. Подрезание сорных растений и пожнивных остатков было полным. Содержание эрозионно-опасных частиц в слое глубиной 0-5 см не возрастало. Забивания и залипания рабочих органов почвой не наблюдалось.

Также было установлено, что толщина мульчирующего слоя была одинаковой по ходу движения почвообрабатывающего орудия и находилась в пределах 5 см, при этом стерня заделывалась в почву в наклонном положении. Таким образом, ПБК-5,4 выполняет технологический процесс, а основные агротехнические показатели отвечают требованиям АТТ. Полученные экспериментальные результаты подтверждают результаты теоретических исследований.

Энергетическая оценка технологического процесса мелкой мульчирующей обработки выполняемого орудием ПБК-5,4, проводилась с целью проверки результатов теоретических исследований и определения его энергетических показателей на соответствие мощностным характеристикам тракторов К-701 и К-744 (рис. 9).

- расчетная; -экспериментальная

Рис. 9. Зависимость удельного тягового сопротивления Р_у почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 с комбинированными рабочими органами, у которых угол г = 38°, от скорости движения х: 1, 3-глубина обработки а = 16 см при агрегатировании с трактором К-701; 2, 4-глубина обработки а = 18 см при агрегатировании с трактором К-744.

Анализируя представленные зависимости (рис. 9), видно, что экспериментальные и расчетные удельные тяговые сопротивления Р_у почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 с рабочими органами у которых угол г = 38° имеют одинаковую закономерность и не линейно изменяются в зависимости от скорости движения. Это соответствует результатам теоретических исследований. Закономерность изменения экспериментальных и теоретических зависимостей на основании критерия ч² согласуются с доверительной вероятностью 0,05.

В пятом разделе «Исследование эффективности применения предлагаемых почвообрабатывающих орудий и их экономическая оценка» проведено исследование эффективности применения предлагаемых почвообрабатывающих орудий, приведены результаты внедрения почвообрабатывающих орудий с комбинированными рабочими органами ПБК-3,3 и ПБК-5,4, расчет экономической эффективности применения почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4. Показатели работы почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 и «Smaragd 9/500К» при агрегатировании с тракторами К-744 представлены в таблице 2

Таблица 2. Показатели работы почвообрабатывающих орудий ПБК-5,4 и Smaragd 9/500К

Показатель	Значение
Состав агрегата	К-744 +»Smaragd 9/500K»	К-744 + ПБК-5,4
Скорость движения, км/ч	2,16	2,5	2,22	2,77
Ширина захвата, м	5,0	5,4
Глубина обработки, см	15,9	16,1	18,4	18,5
Среднее квадратическое отклонение, ± см	1,1	1,2	1,3	1,6
Крошение почвы, % , размер комков до 50 мм включительно	73,2	74,8	92,4	93,2
Гребнистость поверхности поля, см	4,2	4,5	1,7	1,6
Заделка стерни, %	69,2	69,9	73,1	77,2
Подрезание сорных растений, %	100
Производительность за время основной работы, га/ч	3,9	4,5	4,3	5,4
Тяговое сопротивление машины, кН	34,4	36,7	51,6	55,3
Удельное тяговое сопротивление, Н/см2	6,9	7,3	5,2	5,53
Коэффициент использования номинальной эксплуатационной мощности двигателя	0,65	0,77	081	0,84
Производительность за 1 ч, га	-	4,43	-	5,32
Погектарный расход топлива за время сменной работы, кг/га	-	9,52	-	9,22
Влажность почвы, %	15,0-17,3	18,9-22,1
Твердость почвы, МПа	1,3-2,1	1,9-4,1



Из таблицы 2 видно, что при обработке почвы твердостью 1,3-2,1 МПа на глубину 16,1 см и скорости движения 2,5 м/с удельное тяговое сопротивление «Smaragd 9/500К» составляло 7,3 Н/см², а при обработке почвы твердостью 1,9-4,1 МПа на глубину 18,5 см и скорости движения 2,77 м/с удельное тяговое сопротивление ПБК-5,4 - 5,53 Н/см². Часовая производительность за время основной работы почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 выше часовой производительности за время основной работы комбинированного орудия «Smaragd 9/500К» на 16,7 % (5,32 га/ч против 4,43 га/ч).

Расчет экономической эффективности применения нового почвообрабатывающего орудия представлен в таблице 3.

Таблица 3. Показатели экономической эффективности применения нового почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4

Наименование показателя	Основная обработка
	К-744Р1+ «Smaragd-9/500К»	К-744Р3 +ПБК-5,4
Затраты труда, чел.·ч/га	0,25	0,23
Снижение затрат труда, %		8
Себестоимость работ, руб./га	806,45	599,18
Снижение себестоимости технологии, %		25,7
Годовая экономия затрат на 1 почвообрабатывающее орудие, руб.		195435
Срок окупаемости, лет		0,8

Себестоимость обработки почвы новым почвообрабатывающим орудием ПБК-5,4 на 25,7 % ниже, чем серийным «Smaragd-9/500К». За счет разницы в полных затратах средств, новое почвообрабатывающее орудие ПБК-5,4 способствовало получению годового приведенного экономического эффекта в размере 195435 руб.



ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ технологических процессов мелкой мульчирующей обработки почвы, выполняемых известными комбинированными почвообраатывающиими орудиями, показал, что применяемые в этих орудиях рабочие органы имеют высокое тяговое сопротивление, не обеспечивают требуемого качества обработки почвы и образования мульчирующего слоя равномерной минимальной толщины. Для эффективного поглощения и снижения испарения влаги, предотвращения водной и ветровой эрозии разработан рациональный технологический процесс мелкой мульчирующей обработки почвы, который включает интенсивное крошение обрабатываемого слоя на глубину до 16 см, затем образование на глубине до 5 см мульчирующего слоя равномерной толщины с заделкой в него на 70-80 % стерни в наклонном состоянии.

2. Для реализации предлагаемого рационального технологического процесса разработана конструктивно-технологическая схема рабочего органа, которая состоит из стрельчатой лапы шириной захвата 310 мм и мульчеобразователя криволинейной формы, являющегося частью измененной лемешно-отвальной рабочей поверхности плугов-лущильников, при этом комбинированные рабочие органы на почвообрабатывающем орудии должны располагаться по фронтальной четырехрядной схеме.

3. На базе анализа уравновешивания и тягового сопротивления нового комбинированного рабочего органа установлено, что при ширине захвата правого лемеха b₁ = 160 мм, угол крошения правого лемеха в_ПР = 30°, ширине захвата левого лемеха b₂ = 150 мм, угол крошения левого лемеха в_ЛЕВ = 17°, угол постановки лезвия правого лемеха к направлению движения г_ПР = 38°, угол постановки лезвия левого лемеха г_ЛЕВ = 36°, величине продольного смещения правого лемеха относительно левого Д₁ = 35-75 мм, расстоянию между стрельчатой лапой и нижним обрезом мульчеобразователя, установленного позади стрельчатой лапы h₁ = 50 мм, угол постановки мульчеобразователя к направлению движения г₁ = 30°, а его высота h = 180 мм, при этом верхняя наиболее удаленная от стойки рабочая поверхность мульчеобразователя на длине l' = 60 мм отогнут под углом 35° тяговое сопротивление рабочего органа имеет минимальное значение.

4. Разработана конструктивно-технологическая схема почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 шириной захвата 5,4 м для агрегатирования с тракторами тягового класса 5, которое включает раму, 19 рабочих органов, опорные колеса с механизмом регулирования глубины обработки почвы и навесное устройство. Рабочие органы установлены по фронтальной четырехрядной схеме с интервалом В₄ = 280 мм, при этом в первом ряду 4 рабочих органа, работают в условиях блокированного резания, во втором и третьем рядах - в условиях полублокированного резания, а в четвертом производят открытое резание. Расстояние между параллельными поперечными рядами рабочих органов L₂ = 550 мм.

5. Экспериментальными исследованиями показателей качества выполнения технологического процесса орудием ПБК-5,4 установлено, что при взаимодействии рабочего органа с обрабатываемым пахотным слоем гребнистость поверхности поля составляет 1,6-1,7 см, количество фракций почвы размером до 50 мм - 81,1…93,2 %, что обеспечивается малой шириной захвата рабочего органа b = 310 мм и продольным смещением правого лемеха относительно левого на величину Д₁ = 75 мм. Мульчеобразователь криволинейной формы, установленный на 50 мм выше стрельчатой лапы под углом 30° к направлению движения, а также расстановка рабочих органов на почвообрабатывающем орудии с интервалом В₄ = 280 мм, выполненная по фронтальной четырехрядной схеме позволяет создавать мульчирующий слой равномерной толщины в пределах 3-5 см с заделкой в него стерни на 70-80 % в наклонном положении, при этом энергозатраты почвообрабатывающего орудия обеспечивают загрузку тракторов К-701 или К-744. Применение почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 в сравнении с комбинированным орудием «Smaragd 9/500К» показал более низкие затраты выраженные в снижении себестоимости пахотных работ на 25,7 %, что способствовало получению годового приведенного экономического эффекта на одно почвообрабатывающее орудие в сумме 195435 руб.



ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Петров, В. А. Развитие технологий основной обработки почвы: практический аспект / В.М. Бойков, В.А. Петров, В.В. Пронин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - Саратов, 2007. - № 2. - Вып.1. - С. 28-31 (0,2 печ. л./ 0,06 печ. л.)

2. Петров, В. А. Сравнительная оценка технологического процесса основной мелкой обработки почвы, выполняемого орудиями ПБО-4,4; КПУ-3,6 и КСН-3,0 / В.А. Петров // Вавиловские чтения-2007 : Материалы конференции. - Саратов: Научная книга, 2007. - С. 263-265 (0,2 / 0,2 печ. л.).

3. Петров, В. А. Результаты исследований комбинированных рабочих органов для мелкой мульчирующей обработки почвы / В.А. Петров // Вавиловские чтения - 2008 : Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов : Наука, 2008. - С. 302-304. (0,25 печ. л./ 0,25 печ. л.).

4. Петров, В. А. Результаты исследований нового почвообрабатывающего орудия ПБК-5,4 / В.М. Бойков, В.А. Петров // Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы Материалы III Всероссийской науч.-практ. конф. под ред. А.В. Голубева. Саратов: Наука, 2009. - С 58-60. (0,125 печ. л./ 0,06 печ. л.).

5. Петров, В. А. Обоснование основных параметров нового комбинированного рабочего органа для основной мелкой обработки почвы / В.М. Бойков, В.А. Петров, Е.С. Нестеров // Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы Материалы III Всероссийской науч.-практ. конф. под ред. А.В. Голубева. Саратов: Наука, 2009. - С. 51-58.

6. Патент РФ. № 2008 118622/22 14.05.2008 Бойков В.М., Бойкова Е.В., Петров В.А., Нестеров Е.С., Курдюков Ю.Ф. Комбинированное почвообрабатывающее орудие // Патент России на полезную модель № 75822. 2008. Бюл. №24.

Размещено на Allbest.ru

...