Обоснование параметров ротационной бороны для возделывания картофеля на грядах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОЙ БОРОНЫ ДЛЯ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ НА ГРядаХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Чекусов Максим Сергеевич

Барнаул 2011

Работа выполнена в отделе механизации ГНУ СибНИИСХ Россельхозакадемии

Научный руководитель: - кандидат технических наук Кем Александр Александрович (ГНУ СибНИИСХ Россельхозакадемии)

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Докин Борис Дмитриевич (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

- кандидат технических наук, доцент Соловьев Анатолий Андреевич (ФГОУ ВПО ОмГАУ)

Ведущее предприятие: - ФГУ «Сибирская государственная зональная машиноиспытательная станция» (ФГУ СибМИС)

Защита состоится 2 июня 2011 г. в 9⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии в зале заседаний Ученого совета ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98, главный корпус.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета по адресу 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р.п. Краснообск-1, а/я 460, ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии телефон, факс (383) 348-12-09, (383)348-61-66

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, с авторефератом на сайте www.sibime-rashn.ru;

Автореферат разослан « 27 » апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, НЕСТЯК В.С.

доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Картофель относится к числу важнейших сельскохозяйственных культур, его производство в России в последние годы увеличивается. В настоящее время во многих странах мира, где производится картофель, в том числе и в России, всё больше применяют грядовую и грядоволенточную технологии возделывания. Такие технологии, в сравнении с гребневыми, более устойчивы к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, кроме того, снижается опасность повреждения клубней, что благоприятно сказывается на урожае картофеля и качестве механизированной уборки.

При возделывании картофеля особое значение придаётся поверхностной обработке гряд, как одному из важнейших элементов создания условий для благоприятного развития и роста клубней картофеля. Своевременный и качественный уход за посадками способствует значительному увеличению урожайности.

Следовательно, разработка новых технических средств для поверхностной обработки гряд, обеспечивающих оптимальный водно-воздушный режим и эффективное уничтожение сорняков, что приводит к повышению урожайности картофеля и снижению затрат на его производство, является актуальной народнохозяйственной задачей.

Цель исследования - повышение эффективности применения поверхностной обработки почвы при возделывании картофеля на грядах путём совершенствования параметров ротационной бороны.

Объект исследования - технологический процесс обработки почвы ротационной бороной при возделывании картофеля на грядах.

Предмет исследования - закономерности влияния параметров рабочих органов ротационной бороны на качественные показатели её работы при обработке гряд. ротационный борона картофель возделывание

Методы исследования.

Теоретические исследования выполнялись на основании математических положений, законов и методов классической земледельческой механики, теоретической, прикладной механики и сопротивления материалов. При проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента, корреляционно-регрессионного анализа, теории вероятности, методика полевого опыта.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований отдела механизации ГНУ СибНИИСХ по проблеме IX.01.01 «Разработать систему конкурентоспособных, экологически безопасных технологий и комплексы энергосберегающих машин нового поколения для производства приоритетных видов сельскохозяйственной продукции».

Научную новизну представляют: закономерности влияния основных конструктивных и технологических параметров рабочих органов на качество работы, аналитические зависимости изменения силы сопротивления качению и усадке почвы под опорными дисками ротационной бороны.

Практическая значимость работы.

1. Обоснована принципиальная технологическая схема ротационной бороны с креплением рабочих органов к опорным дискам с помощью цилиндрических пружин.

2. Применение предлагаемого устройства для обработки поверхности гряды улучшает оптимальный воздушно-почвенный режим при произрастании картофеля, производит эффективное уничтожение сорняков, что повышает качество клубней и увеличивает их урожайность.

3. Результаты исследования могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями при разработке конструкций и совершенствовании ротационных борон, а также при выборе режимов работы в производственных условиях.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований использованы при разработке и изготовлении опытного образца ротационной бороны, позволяющей качественно обрабатывать поверхность гряды.

Разработанная ротационная борона в агрегате с культиватором КРН-4,2 прошла производственную проверку во время обработки посадок картофеля в ООО «Тепличный», ФГУП «Омское» Омского района Омской области.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований по обоснованию влияния параметров ротационной бороны на качество обработки почвы гряды в зависимости от её свойств;

- результаты экспериментальных исследований конструктивно-технологических параметров ротационной бороны с креплением рабочих органов с помощью цилиндрических пружин;

-результаты эксплуатационно-технологической и агротехнической оценки экспериментального образца ротационной бороны.

Материалы исследования рассмотрены и одобрены учёными советами ГНУ СибНИИСХ Россельхозакадемии, ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях «АГРО-ОМСК» (Омск, 2008-2010 гг.) и одобрены ученым советом ГНУ СибНИИСХ Россельхозакадемии

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 4 печатных работах, из них 2 статьи в изданиях, указанных в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий….», рекомендованном ВАК, получена приоритетная справка о выдаче положительного решения по заявке № 2011105725/20(008043) «Борона ротационная» от 15 февраля 2011.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 5 глав, общие выводы, список литературы из 128 наименований, в том числе на иностранном 6, и 16 приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дано её краткое содержание, сформулированы гипотеза, цель исследования, научная новизна, практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, постановка цели и задачи исследования» даны обзор и анализ литературных источников, посвящённых исследованию процесса поверхностной обработки гряд ротационными боронами при выращивании картофеля.

Качество выполнения технологического процесса рыхления почвы на грядах зависит от конструктивного исполнения бороны, физико-механических свойств почвы и рельефа гряды. Для этой цели используют культиваторы, оснащенные ротационными или сетчатыми боронами.

Сетчатые бороны имеют большое тяговое сопротивление, забиваются сорной растительностью, разрушают вершину гряды, поэтому их применение не является перспективным.

Существенным недостатком конструкций ротационных борон для довсходового боронования посадок картофеля является некачественная обработка поверхностей гряды, обусловленная неустойчивым движением бороны вследствие неровностей микрорельефа гряды.

Теоретическое обоснование применения ротационных борон как приёма, применяемого при обработке посадок картофеля, сделано ещё в 50-х годах. (Авторское свидетельство «Боронки ротационные для обработки почвенных гребней, например, для посадки картофеля» И.Л Кравченко от 20 сентября 1960 г.) Положительные результаты по применению ротационных борон были получены в опытах ДальНИИСХ, СибНИИСХ, БелНИИ картофелеводства.

Исследованию технологических процессов взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой посвятили свои работы Синеоков Г.Н., Верещагин Н.И., Горбачев И.В., Замотаев А.И., Кушнарев А.С., Сизов О.А., Панов И.М., Коршунов А.В., Гячев Л.В., Виноградов И.И, Подскребко М.Д, Кленин Н.И., Докин Б.Д., Сакун В.А., Сурилов В.С., В.К. Бакулин, А.Т. Вагин, В.Н. Дроздов и др.

Несмотря на многочисленные работы, выполненные в этом направлении, вопросы создания благоприятных условий при выращивании картофеля остаются по-прежнему актуальными.

Основной причиной низкого качества рыхления почвы ротационными боронами является то, что под воздействием неровностей профиля гряды опорные диски совершают колебания относительно поверхности почвы и борона изменяет своё положение в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению движения. Так как рабочие органы серийной ротационной бороны жёстко связаны с опорными дисками, они совершают колебания вместе с бороной, что существенно снижает качество обработки, изменяется глубина обработки, увеличивается площадь необработанной поверхности.

В качестве рабочей гипотезы было сделано предположение о том, что качество обработки гряд можно повысить за счет создания колебаний рабочих органов бороны путём применения в конструкции ротационной бороны демпфирующих устройств, дающих возможность копировать профиль гряды.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить влияние конструктивных параметров и режимов работы ротационной бороны на качественные показатели работы в зависимости от состояния обрабатываемой гряды.

2. Обосновать конструктивно-технологические параметры ротационной бороны.

3. Определить эксплуатационно-технологические и агротехнические показатели работы ротационной бороны и провести оценку основных результатов исследования.

Во второй главе "Теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров" обоснованы основные конструктивно-технологические параметры ротационной бороны для обработки поверхности гряд при возделывании картофеля и выявлено их влияние на качественные показатели.

С целью исключения влияния поперечных колебаний бороны на колебания рабочих органов и повышения качества обработки гряды предложен способ крепления рабочих органов в опорных дисках посредством цилиндрических пружин. Принципиальная технологическая схема разработанной бороны представлена на рис. 1.

Рис. 1 Схема ротационной бороны для обработки гряд: 1 -вал; 2 - опора вала; 3 - диск опорный; 4 - цилиндрическая пружина; 5 - почвозацеп; 6- зуб; 7- промежуточное кольцо; 8 - цепь

Борона состоит из вала 1, вращающегося в опорах 2. Крайние опорные диски 3 жёстко закреплены на валу. Промежуточные кольца 7 крепятся на цепях 8, закреплённых в опорных дисках. Натяжение цепей регулируется затяжкой цилиндрических пружин 4. На опорных дисках 3 установлены почвозацепы 5, которые, погружаясь в почву, принудительно перекатываясь под действием тягового усилия трактора, обеспечивают вращение ротационной бороны. На промежуточных кольцах жёстко закреплены рабочие органы борон - зубья 6. Опорные диски, перекатываясь по почве, вращают цепи с установленными в них промежуточными кольцами. Промежуточные кольца отличаются внутренним диаметром, что позволяет копировать профиль гряды и обеспечивает плотный контакт зубьев с поверхностью почвы.

При движении разработанной ротационной бороны по профилю гряды борона совершает поступательные движения совместно с агрегатом вдоль гряды; почвозацепы, установленные на опорных дисках, погружаясь в почву, обеспечивают вращение бороны под действием силы тяжести и тягового усилия трактора. Использование цилиндрических пружин в конструкции бороны в зависимости от неровностей гряды задает рабочим органам колебательное движение, что повышает качество рыхления почвы.

Для определения теоретических параметров и режимов работы ротационной бороны были последовательно рассмотрены варианты выполнения технологического процесса боронования с жёстким креплением звеньев цепи к опорным дискам и при помощи цилиндрических пружин.

При теоретическом рассмотрении движения рабочих органов были приняты следующие допущения: борона обладает продольной плоскостью симметрии; ровная поверхность - это поверхность, на которой отсутствуют наклонные участки, и она абсолютно гладкая, т.е. без микронеровностей на поверхности; пространственное положение ротационной бороны задаётся прямоугольной системой координат х, у и z, причём ось x совпадает с осью симметрии роторной бороны, ось z на ровном поле совпадает с геоцентрической вертикалью, а ось y совпадает с осью, проходящей через оси опорных дисков; изменение рельефа и неравномерная деформация почвы под опорными дисками приводят к поперечному перекосу оси и цепей бороны, при этом ось z отклоняется от геоцентрической вертикали на угол г. Поперечные отклонения рабочих органов бороны от нейтрального положения охарактеризуем углом г(t). Влияние воздействий, вызывающих изменения угла г, случайны, поэтому функция г(t) есть случайная функция времени. Колебание рабочих органов (зубьев) зависит от натяжения цепи: при жёстком закреплении цепи в опорных дисках рабочие органы совершают колебания в поперечном направлении с частотой, равной частоте собственных колебаний цепи. Ротационная борона, находясь под воздействием случайных возмущений, будет усиливать те частоты колебаний рабочего органа, которые наиболее близки к собственной частоте колебаний зуба.

Рассмотрим характер боковых угловых перемещений зуба 3 (рис. 2) при прямолинейном поступательном движении бороны по поверхности поля с жёстким креплением рабочих органов к опорным дискам.

Рис. 2 Схема, характеризующая колебания бороны жёсткой конструкции от боковых неровностей гряды: 1- гряда; 2 - диск опорный; 3 - зуб; 4 - вал

Изменение угла , характеризующего колебания бороны в поперечной плоскости, зависит от случайного расположения неровностей почвы под опорными дисками. Максимальное значение угла будет в том случае, когда один диск будет находиться во впадине максимальной величины, а второй на пике выступа.

То есть угол зависит от случайного расположения неровностей почвы под опорными дисками. Изменение угла можно выразить следующей зависимостью:

, (1)

где - неровности почвы под опорными дисками.

Проведенные исследования показали, что распределение неровностей под опорными дисками носит вероятностный характер.

Исходя из схемы, представленной на рис. 2, учитывая малость угла , его можно определить по формуле:

, (2)

где L- расстояние между опорными дисками, мм;

h- высота неровности поверхности, мм.

При этом колебания бороны в поперечной плоскости можно описать следующим уравнением:

, (3)

где - коэффициенты разложения.

При поступательном движении по горизонтальной поверхности на рабочие органы ротационной бороны действуют силы, приведённые на рис. 3.



Рис. 3 Схема сил, действующих на рабочие органы ротационной бороны, где G- сила тяжести бороны, Н; Р_т - тяговое усилие трактора, Н; R₁, R₂ - сопротивление почвы перемещению опорных дисков и зубьев, Н

Окружная сила, которая создаётся крутящим моментом на опорных дисках бороны, равна сумме сил сопротивления почвы.

Анализ схемы сил, действующих на опорный диск бороны, позволил определить силы сопротивления качению:

, (4)

где D - диаметр опорного диска, м;

к - коэффициент объемного смятия почвы, ;

G - вес ротационной бороны, приходящийся на опорный диск, кг;

b - ширина опорного диска, кольца.

Полученная зависимость не учитывает ослабления почвы за счёт установки почвозацепов и скорости движения ротационной бороны. Уточнить зависимость (4) предлагаем следующим образом:

, (5)

где к - коэффициент, учитывающий пластичность почвы;

d - диаметр почвозацепа, мм;

- поступательная скорость движения бороны, км/ч;

- характерная скорость;

и - экспериментальные коэффициенты.

Полученная зависимость была использована нами при проведении экспериментальных исследований по определению сил сопротивления опорных дисков.

Учитывая, что качество рыхления почвы бороной с жёстким креплением рабочих органов к опорным дискам зависит от характера неровностей поверхности гряды, для повышения качества обработки предложено применить в конструкции бороны демпфирующие устройства, состоящие из цилиндрических пружин.

При исследовании влияния действия цилиндрических пружин на качество рыхления почвы рассмотрим систему сил, действующих на рабочий орган (зуб), закреплённый на наклонном участке цепи, рис. 4.



Рис. 4 Схема сил, действующих на рабочий орган (зуб) при использовании цилиндрических пружин:1- пружина растянута, 2-пружина сжата; - сила натяжения пружины, направленная по боковой поверхности цепи, Н; - сила сопротивления почвы, Н; - сила тяжести рабочего органа и цепи, Н; - возмущающая сила, действующая в вертикальной плоскости, Н

Вынужденные колебания подпружиненного зуба ротационной бороны описываются следующим дифференциальным уравнением:

, (6)

где - смещение зуба относительно положения статического равновесия, м;

- масса промежуточного кольца и зуба, приведенная к центру тяжести зуба, кг;

- коэффициент, учитывающий сопротивление почвы, Н/м;

- жёсткость пружины, Н/м;

- скорость колебаний зуба, м/с;

- ускорение колебаний зуба, м/с²;

- возбуждающая сила, возникающая при колебаниях опорных дисков от микронеровностей почвы, Н;

- частота вынужденных колебаний, с^-1.

Анализ работы ротационной бороны и действующих при этом сил позволил выявить связь между прочностью почвы и геометрическими размерами зуба в следующем виде:

, (7)

где - сила сопротивления резанию одного зуба, Н;

- нормальное сопротивление почвы сжатию, Па;

и - коэффициент структурного ослабления почвы;

d - ширина зуба, м;

h- глубина обработки, м.

Полученная зависимость не учитывает многих факторов (натяжения цепи F_пр, скорости движения бороны V, высоты микронеровностей м, условной массы, приходящейся на зуб), влияющих на коэффициент ослабления почвы и, как следствие, на силу сопротивления рыхлению почвы. Более точное решение задачи позволяет получить математическая модель на основе проведенных экспериментов.

Нами была принята следующая модель для планирования и проведения эксперимента

(8)

В уравнении (8) ,,,…,,, , …, - экспериментальные коэффициенты - кодированные значения факторов.

Поверхность почвы, обрабатываемую одним зубом ротационной бороны, определяли по формуле:

(9)

где - длина бороздки, м;

- ширина бороздки, м.

Длину бороздки, образуемой одним зубом в направлении его движения за один оборот ротационной бороны, определяли аналитически по координатам точек пересечения соответствующих циклоид с прямой у = h (рис.5.).

Рис. 5 Схематическое изображение перемещения зуба рабочего органа при перекатывании его по поверхности почвы

В результате было получено следующее уравнение:

+, (10)

где R- расстояние от оси до конца зуба при максимальной длине бороздки.

Формула (10) позволяет определить длину прорезаемой зубом канавки при условии жесткой конструкции его крепления к бороне.

При подпружиненном креплении зуба необходимо учитывать колебания зуба в продольном направлении, которое зависит от микронеровностей почвы, скорости движения бороны, а также жёсткости и натяжения пружины. Учёт влияния этих факторов можно осуществить, если формулу (10) уточнить путём преобразования её к следующему виду:

, (11)

Где V - скорость движения ротационной бороны, м/с;

- высота микронеровностей, м;

- сила натяжения пружины, Н.

Схема для определения ширины полосы, обрабатываемой одним рабочим органом (зубом), при жёстком креплении и с помощью цилиндрических пружин, представлена на рис.6.

Рис. 6 Схема для определения ширины рыхления почвы одним зубом: d' - ширина обработанной поверхности почвы зубом без учёта поперечных колебаний ротационной бороны; - средняя величина дополнительной обработки почвы за счёт поперечных колебаний; d₁- амплитуда колебаний

Ширина обрабатываемой поверхности почвы модернизированной ротационной бороной определяется из выражения:

(12)

Амплитуда вынужденных колебаний зуба зависит от величины возмущающей силы, её частоты и от упруго-массовых характеристик элементов крепления рабочих органов ротационной бороны.

В результате решения дифференциального уравнения (6) получена зависимость для определения смещения зуба:

, (13)

где - d₁- амплитуда установившегося колебания зуба.

Полученные зависимости позволяют определить расстояние между зубьями по окружности опорных колец, для качественной обработки поверхности гряды (без огрехов), а также рассчитать схему расположения цепей на опорном диске.

Количество зубьев, обеспечивающих обработку всей поверхности гряды, определяется по формуле:

(14)

Количество колец на бороне определялось в зависимости от фактической ширины L и профиля гряды с учётом полученной зависимости ширины обрабатываемой полосы одним зубом d по формуле:

 (15)

Полученные теоретические зависимости позволили выявить факторы, влияющие на качество обработки поверхности гряды, и были использованы при планировании экспериментальных исследований для уточнения параметров рабочих органов и режимов работы ротационной бороны.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа и методика экспериментальных исследований, описано лабораторное оборудование. Программа экспериментальных исследований включает в себя:

* определение характера неровностей почвы под опорными дисками ротационной бороны;

* выявление закономерностей влияния свойств почвы, параметров и режимов работы ротационной бороны на тяговое сопротивление и площадь обработки поверхности гряды;

* определение эксплуатационно-технологических параметров в сравнении с серийной бороной.

Перед началом лабораторных исследований с учётом проведённых теоретических расчётов были составлены планы экспериментов.

В качестве математической модели для определения сопротивления рабочих органов выбран план Хартли второго порядка (n=4).

В качестве критериев оптимизации были выбраны следующие параметры: У₁, У₂- тяговое сопротивление в зависимости от формы зуба.

В качестве варьирующих факторов были приняты: безразмерный критерий , скорость движения бороны V, м/с; высота микронеровностей м, м; условная масса, приходящаяся на 1 зуб m, кг.

Критерий определяет влияние на силу сопротивления рыхлению почвы твёрдости Т, натяжения цепи , ширины зуба и глубины обработки почвы.

Натуральные и кодированные уровни варьирования факторов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Уровни варьирования факторов

Фактор хi	Кодированное значение	Натуральные значения факторов	Кодированные значения факторов
		xmax	x0	xmin	Xmax	X0	Xmin
Критерий П	Х1	9,38	4,96	0	+1	0	-1
Скорость, км/ч	Х2	10,63	8,04	5,45	+1	0	-1
Масса на зуб, кг	Х3	8	5	2	+1	0	-1
Высота микронеровностей, см	Х4	4	2	0	+1	0	-1

Для определения зависимости площади бороздки, обрабатываемой одним зубом, был принят центрально-композиционный план второго порядка (n=3).

В качестве результирующих критериев были выбраны следующие параметры: У₃, У₄- площадь обработки зубом в зависимости от его формы.

В качестве варьирующих факторов были выбраны: х₁-натяжение пружины, Н; х₂ - скорость движения V, м/с; х₃ - удельная масса, приходящаяся на один зуб m, кг/зуб. Натуральные и кодированные уровни варьирования факторов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Уровни варьирования факторов

Фактор хi	Натуральные значения факторов	Кодированные значения факторов
	xmax	x0	xmin	Xmax	X0	Xmin
Натяжение пружины, Н	120	60	0	+1	0	-1
Скорость, м/с	2,95	2,23	1,51	+1	0	-1
Удельная масса, приходящаяся на 1 зуб, кг	8	5	2	+1	0	-1

Лабораторные и полевые опыты проведены по общепринятым методикам в трёхкратной повторности. Для исключения систематической ошибки проводили рандомизацию опытов. Статистическую обработку результатов и построение поверхностей отклика моделей регрессии выполняли на персональном компьютере с помощью программ Microsoft Excel 97 и Statistica 6.0.

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты лабораторно- полевых исследований по определению физико-механических свойств почвы и микропрофиля боковой поверхности гряды, которые в процессе работы ротационной бороны оказывают влияние на качество обработки гряды. Измерения и обработка результатов микропрофиля боковой поверхности гряды показали, что высота микронеровностей изменяется в пределах от 0,01 до 0,06м и представляет собой стационарный эргодический случайный процесс, описываемый автокорреляционной функцией вида:

(16)

где , , - коэффициенты, найденные для k-го вида профиля, -дисперсия k- го вида профиля.

Расчёты по зависимости (16) показывают, что с увеличением времени между высотами неровностей связь между ними уменьшается и поэтому процесс является случайным. Погрешность в определении высоты микронеровностей составила 16 %, корреляция находится в пределах 0,23.

В лабораторных условиях по разработанной методике эксперимента определены закономерности влияния конструктивных параметров и режимов на качество обработки поверхности гряды и тяговое сопротивление в виде следующих моделей.

1. Математическая регрессионная модель (17), отражающая влияние различных факторов на длину прорезаемой зубом бороздки на поверхности гряды:

(17)

На рисунке 7 представлены результаты расчёта длины бороздки, образующейся при рыхлении.

Рис. 7 Зависимость длины бороздки от скорости движения и силы натяжения пружины

2. Математические регрессионные модели, определяющие закономерности изменения обрабатываемой площади на поверхности гряды в зависимости от формы зуба:

для прямого зуба:

(18)

для V-образного зуба:

(19)

Характер изменения площади рыхления от формы зуба представлен на рис. 8.

Рис. 8 Зависимости площади рыхления от скорости движения ротационной бороны и натяжения пружины: 1-V -образный зуб; 2- прямой зуб

Анализ зависимостей показывает, что площадь рыхления, независимо от формы зуба, изменяется по параболе с максимумом обрабатываемой поверхности, соответствующим натяжению пружины 100 - 125 Н.

Площадь обработки зубом V-образной формы в 3,3 раза превышает площадь, получаемую прямым зубом, что позволяет на бороне сократить количество зубьев.

3. Математические регрессионные модели, определяющие закономерности изменения сил сопротивления, действующих на зуб в процессе рыхления:

для прямого зуба:

(20)

для V-образного зуба:

(21)

Выявлено влияние основных параметров ротационной бороны на силу сопротивления в зависимости от формы зуба (рис. 9).

Рис. 9 Влияние натяжения цепи на изменение силы сопротивления рыхлению одного зуба: 1-прямой зуб; 2- V-образный зуб

Анализ кривых, представленных на рисунке 9, показывает, что оптимальное значение критерия П, соответствующего твердости почвы гряды: Т= 0,04 МПа, d=0,008м для прямого и d=0,016м для V- образного зуба при постоянной глубине обработки h = 0,04м, натяжение цепей составляет 100-120 Н. При этом сопротивление зуба V - образной формы превышает сопротивление зуба простой формы в 1, 33 раза.

На основании теоретических и экспериментальных исследований по площади обработки и сопротивлению зубьев было принято решение при изготовлении экспериментального образца ротационной бороны использовать зуб V-образной формы.Был изготовлен экспериментальный образец, который испытывался на полях ООО «Тепличное», ФГУП «Омское» в 2008-2010 гг. Опыты закладывались при трёхкратной повторности вариантов.

Проведённые экспериментальные исследования проводились с применением методов планирования и анализа экспериментов. Согласно проведённым в полевых условиях исследованиям, было получено уравнение тягового сопротивления бороны следующего вида:

(22)

Для анализа влияния факторов на тяговое сопротивление бороны была построена поверхность отклика (рис. 10).

Рис. 10 Зависимость тягового сопротивления бороны от усилия натяжения цепи и поступательной скорости

Анализ показывает, что оптимальный диапазон изменения натяжения цепи бороны находится в пределах 100 - 120 Н, что подтверждает полученные ранее теоретические и экспериментальные исследования при этом удельное тяговое сопротивление бороны составило 200-210 Н/м.

С увеличением силы натяжения пружины тяговое усилие бороны возрастает. Это объясняется тем, что при малом натяжении пружины зуб имеет возможность отклоняться относительно точки крепления, при этом увеличивается площадь сопротивления зуба.

Сравнительные результаты производственных опытов по изучению эффективности применения разработанной конструкции бороны с использованием демпфирующих устройств с серийной бороной БРУ-0,7, с жёстким креплением рабочих органов к опорным дискам, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Эффективность влияния типа бороны на качество обработки гряды и урожай картофеля

Тип бороны	Количество сорняков, шт./м2	Гибель сорняков, %	Площадь обработанной поверхности гряды, %	Урожайность, т/га
	До боронования	После боронования
Скорость движения агрегата - 2,12 м/с;
Серийная борона БРУ 0,7	41	11	73	81	25,0
Разработанная борона	55	6	89	100	26,2
Скорость движения агрегата - 2,66 м/с;
Серийная борона БРУ 0,7	71	14	80	83	28,5
Разработанная борона	78	3	96	100	30,1

Применение разработанной бороны позволило за счёт более качественной обработки создать благоприятные условия для развития и роста картофеля, что привело к повышению урожайности, в сравнении с серийной бороной, от 1,2 до 1,5 т/га, или 4-6 %.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности» представлен сравнительный анализ и расчёт эффективности применения разработанной бороны в сравнении с серийной (табл. 4).

Таблица 4

Фактическая экономическая эффективность применения предлагаемой ротационной бороны с учётом затрат на изготовление

№ п/п	Показатель	Ед. изм.	Серийная борона БРУ-0,7	Разработанная борона	Основание для выбора
1	Урожайность, прибавка	т/га Т	28,6 -	30,1 1,5	эксперим. данные
2	Стоимость единицы продукции	Руб/т	18000	рыночная цена
3	Объём дополнительной продукции	Руб/100га	-	2700000	расчёт
4	Стоимость бороны	Руб.	30000	38000	расчёт
5	Экономический эффект	Руб/га	-	26620	расчёт

Проведенный анализ показал, что экономический эффект от внедрения предлагаемой конструкции бороны составляет 26620 руб. на 1 га.

Общие выводы

1. Установлено, что из-за жёсткого крепления рабочих органов ротационной бороны к опорным дискам поверхность гряды обрабатывается недостаточно качественно. С целью устранения этого недостатка разработана ротационная борона с креплением рабочих органов к опорным дискам при помощи цилиндрических пружин, которые позволяют копировать профиль гряды и, тем самым, повысить качество поверхностной обработки.

2. Получены регрессионные модели, позволяющие определять тяговое сопротивление бороны, площадь обрабатываемой поверхности в зависимости от неровностей гряды, формы зуба, скорости движения, удельной массы, приходящейся на один зуб. Установлено, что дополнительные колебания зуба, создаваемые пружинами в процессе работы, увеличивают площадь рыхления одним зубом до 30 %, что позволяет уменьшить количество зубьев, снизить удельную массу и тяговое сопротивление бороны.

3. Обоснованы основные конструктивные параметры рабочих органов ротационной бороны:

-диаметр опорных дисков D=0,35 м;

-количество промежуточных колец z=7 шт.;

-диаметры промежуточных колец: три центральных - 0,150 м, по два боковых- 0,165, 0,176 м;

-количество зубъев на центральном кольце-6 шт. на боковых кольцах-7 зубьев;

-цилиндрическая пружина с модулем упругости 14кН/м;

-рациональное сила натяжение цепи находится в пределах 100 - 120 Н;

-зуб V-образной формы с углом раствора б=90 град., высотой зуба h=0,04 м, d=0,008 м;

-амплитуда колебаний зуба в поперечном направлении до d₁= 0,02 м.

4. Определено, что при поступательной скорости агрегата V=2,6-2,8 м/с, частоте вращения бороны _b = 14,9-16,0 с^-1, при влажности почвы 16-22% удельное тяговое сопротивление бороны составило 200-210 Н/м.

5. Результаты производственной проверки показали, что площадь рыхления разработанной бороны составила 100 % против 80% у серийной, уничтожение сорной растительности 96% против 80%, повышение урожайности на 4-6%.

6. Экономический эффект от внедрения конструкции модернизированной бороны составил 26620 руб. на 1 га.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Чекусов М.С. Модернизация ротационной бороны для обработки поверхности гряды при возделывании картофеля / Чекусов М.С., Кем А.А.// Достижения науки и техники АПК. 2011. № 2. С. 72-73.

2. Чекусов М.С. Усовершенствованные рабочие органы для ухода за посадками / Черемисин А.И., Чекусов М.С.// Картофель и овощи. 2006. № 3. С. 9-11.

3. Чекусов М.С. Экспериментальные рабочие органы культиватора КРН-5,6 для качественной обработки посадок картофеля по грядово-ленточной технологии / Чекусов М.С. // Молодые учёные сибирского региона аграрной науке. Омск, 2003. Вып. 3. С. 123-125.

4. Чекусов М.С. Средства механизации для возделывания картофеля по грядовой технологии / Клюстер В.Ф.Чекусов М.С. // Современные проблемы развития крестьянских и фермерских хозяйств. Кокшетау, 2001. С. 226-228.

Размещено на Allbest.ru

...