Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной машины

Антонов Евгений Владимирович

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства (МГУП) и Унитарном государственном предприятии «Инженерный центр «Луч»

Научный руководитель

Научный консультант Кандидат технических наук, профессор Ревин Ю.Г.

Кандидат технических наук Ефремов А.Н.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Маммаев Зигиди Маммаевич

Кандидат технических наук, доцент

Апатенко Алексей Сергеевич

Ведущая организация ФГНУ ВНИИРиса

Защита состоится «23» декабря 2008 года в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д220.045.01. Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан «21» ноября 2008 года и размещен на сайте МГУП 20.11.08 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Т.И. Сурикова

Введение

Диссертация посвящена совершенствованию комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков и разработке многофункциональной планировочной машины с расширенными техническими и технологическими возможностями.

Актуальность исследований

Мировой и отечественной практикой земледелия доказано, что планировка или выравнивание поверхности земли является главным мелиоративным мероприятием, предназначенным для устранения имеющихся на поле неровностей в виде различных повышений и понижений. Наиболее ярко эффективность планировки проявляется на рисовых чеках, от микрорельефа которых в первую очередь зависит урожайность риса и других культур рисового севооборота. При строительстве, реконструкции и эксплуатации рисовых оросительных систем по действующим требованиям колебания отметок микрорельефа чеков не должны превышать 5см. Накопленный опыт выращивания риса в Краснодарском крае подтверждает, что неровности поверхности чеков, находящиеся в пределах 10 … 13см, приводят к снижению урожайности риса в 1,5-2,7 раза и увеличению расхода поливной воды в 1,7-3,4 раза.

Необходимо отметить, что высокоточной планировке рисовых чеков отводится особая роль. Так, например, по данным Величко Е.Б. и Шумакова Б.Б. урожайность риса при колебаниях отметок чеков, спланированных с повышенной точностью равной 3см, в 1,5 раза выше, а затраты поливной воды в 1,6 раза ниже, чем при отклонениях отметок чеков в пределах 5см. Таким образом, повышение точности планировки на 2см дает прибавку урожайности риса на 19,9 ц/га (47%) и экономию поливной воды 1621 м3 на тонну риса сырца (36%).

В современных условиях эксплуатационная (предпосевная) планировка выполняется длиннобазовыми планировщиками, что не всегда эффективно, т.к. при этом не достигается требуемая точность планировки из-за отсутствия автоматической системы управления рабочим органом по высоте.

При капитальной планировке рисовых чеков применяются различные технологии, где в качестве ведущих машин используют короткобазовые планировщики с бездонным ковшом и клин-планировщики. Применение на этих машинах лазерных систем автоматического регулирования (ЛСАР) позволяет достигать высокой точности планировки (3см). Однако при этом появляется необходимость в использовании других машин и проведении дополнительных земляных работ.

При всем многообразии существующих технологий и машин сегодня отсутствует единый подход к определению оптимальных параметров землеройно-планировочных машин, остается неясным, какими критериями следует руководствоваться при выборе типа машин и совершенствовании комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков.

Решение этой проблемы становится чрезвычайно своевременным, поскольку по оценке ВНИИриса около 70% существующих рисовых систем остро нуждаются в реконструкции. Учитывая, что в России к настоящему времени по данным НИИТЭИагропром площади посевов риса составляют 170 тыс. га, то проведение точной планировки дополнительно может дать примерно 217 тыс. тонн риса ежегодно.

Цель и задачи работы

Цель работы - совершенствование технологического процесса планировки рисовых чеков и разработка универсальной планировочной машины.

Методика исследований

Теоретические исследования базируются на широком использовании методов теории вероятности и математической статистики, теории случайных функций и методов статистической динамики.

Лабораторные исследования проводились на основе методов физического и физико-математического моделирования и применения цифровой фотосъемки.

При проведении полевых исследований различных технологий планировки рисовых чеков применялся метод производственной апробации с применением автоматизированных землеройно-планировочных машин в рисосеящих хозяйствах Краснодарского края. Регистрация исследуемых параметров ЛСАР проводилась методами лабораторных и полевых измерений с применением специальной электронной и лазерной аппаратуры.

Технологические параметры определялись инструментальными замерами и хронометражными наблюдениями. Для обработки экспериментальных данных использовались методы корреляционного и спектрального анализа, реализованные в стандартных компьютерных программах.

Достоверность основных выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с результатами полевых и лабораторных испытаний.

Научная новизна работы

В результате теоретических исследований разработана трехмерная модель поверхности рисового чека, получены обобщенные статистические характеристики микрорельефов рисовых чеков, предложена их классификация по объемам земляных работ и распределению их по поверхности, получены данные по амплитудам неровностей в зависимости от их длины, дан анализ технологических возможностей применяемых землеройно-планировочных машин.

Уточнены математические модели землеройно-планировочных машин и сформулирована концепция универсальной землеройно-планировочной машины - скрепера-планировщика. На основе лабораторных исследований разработанных физических моделях и изготовленного опытного образца скрепера-планировщика обоснованы основные параметры машины.

Разработан комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. Усовершенствована многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика. В результате проведенных лабораторных и полевых исследовательских испытаний экспериментальных и опытных образцов скрепера-планировщика с ЛПСАУ установлены их основные характеристики.

Апробация работы

Результаты исследований технологий использованы УГП «Инженерный центр «Луч» при внедрении научно-технической продукции по договору с Департаментом мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Министерства сельского хозяйства Российской Федерации за № 20-01-ЗВ от 10.01.2001г.

Основные результаты исследований докладывались на заседаниях научно-технических конференций, проводимых ежегодно в Московском государственном университете природообустройства в период 1997-2008 гг, а также в 2007 г. на международных конференциях в Московском государственном горном университете (МГГУ).

Основные теоретические положения диссертации и разработанные элементы конструкции скрепера-планировщика (гидросистема и лазерно-программная система автоматического управления) прошли апробацию в рисосеящих хозяйствах РГПЗ «Красноармейский» и ЗАО «Агрофирма «Полтавская» Краснодарского края.

Практическая ценность исследований

На основе выдвинутой концепции универсальной землеройно-планировочной машины автором разработана конструкторская документация на скрепер-планировщик СП - 4,0 и СП - 4,0А, по которой заводом Ставропольского края ФБУ ИК-2 изготовлены опытные образцы. Первый образец СП-4,0 успешно прошел заводские и приемо-сдаточные испытания и используется в настоящее время при планировке рисовых чеков в хозяйстве Краснодарского края.

Конструкция разработанного скрепера-планировщика защищена патентом на полезную модель, подготовлена заявка на полезную модель усовершенствованной конструкции машины.

По результатам рекомендаций диссертационной работы изготовлены и успешно прошли полевые испытания опытные образцы лазерно-программной системы автоматического управления с гидроблоком в хозяйствах Краснодарского края.

На защиту выносятся:

Методика статистической оценки неровностей поверхности рисовых чеков в трехмерном ее представлении,

Обобщенные статические характеристики микрорельефов рисовых чеков,

Результаты выбора вида планировочных работ и типа землеройно-планировочных машин,

Разработанные конструкции универсальной планировочной машины - скрепера-планировщика,

Разработанные физические модели скрепера-планировщика и результаты их лабораторных исследований,

Комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. рисовый чек скрепер землеройный

Усовершенствованная многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и результаты ее лабораторных и полевых исследовательских испытаний.

Технико-экономические характеристики скрепера-планировщика с ЛПСАУ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах и содержит 32 таблицы, 56 рисунков, список используемой литературы из наименований и приложений на страницах

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выполнения диссертационной работы, сформулирована цель и задачи для ее достижения, научная новизна исследований и практическая ценность рассматриваемой работы.

В первой главе проводится анализ современного состояния комплекса планировочных работа на рисовых чеках.

Известно, что от точности планировки рисовых чеков зависит урожайность риса и расход поливной воды. Основным критерием оценки точности планировки принято считать среднеквадратические отклонения высот поверхности рисовых чеков в точках их квадратов относительно средней горизонтальной плоскости. Наглядно приведенные данные представлены на рисунке 1. Анализируя построенные зависимости урожайности риса Yi можно видеть их общий характер, проявляющийся в снижении урожайности с ростом среднеквадратических отметок поверхности рисовых чеков уi. Осредненные значения получены при точности планировки в пределах 2-3, 3,5-5, 6-13 см. Графическая зависимость этих значений Yср построена на рисунке 1, которая имеет также тенденцию снижения урожайности от среднеквадратических отметок как это изображено на других линиях Y1- Y4.

Зависимости расхода воды Q имеют обратный характер, т.е. с увеличением среднеквадратических отметок наблюдается рост расхода воды.



Рисунок 1 - Зависимости урожайности риса Уi и расхода воды Qi от среднеквадратических отклонений уi поверхности рисовых чеков по данным: Y1- Величко Е.Б. и Шумакова Б.Б., Y 2- Крымского СХИ, Y 3- ИЦ «Луч», Y 4- Попова В.А., Y ср - Осредненные значения.

Таким образом, из представленных зависимостей следует, что для получения наибольшей урожайности риса Yмах и наименьшего расхода воды Qмин нужна точная планировка в пределах ±3 см.

Многолетними наблюдениями ИЦ «Луч» установлено, что после проведения точной планировки с течением времени происходит искажение спланированной поверхности чеков. Это иллюстрируется ниже рисунком 2, где показана динамика роста среднеквадратических отклонений у в зависимости от времени эксплуатации чеков.

Не могут в принципе обеспечить планировку под горизонтальную плоскость из-за отсутствия системы автоматического управления. После проходов длиннобазового планировщика образуется сглаженная поверхность земли с длинными неровностями, превышающими более чем в 2 раза длину базы машины. Планировка под горизонтальную плоскость с точностью ±3 см может выполняться землеройно-планировочными машинами с лазерным управлением

На том же рисунке 12 построена зависимость потерь урожайности риса ДУ с годами эксплуатации чеков без проведения ежегодной точной планировки. Потери урожайности будут эквивалентны потенциальной прибавке урожайности риса.

Как видно из этой зависимости и рисунка 1, после первого года эксплуатации потери урожайности достигают 19%, а за 4 года без проведения точной планировки 50 %.

В последние годы точная планировка практически не проводится. Проведенные ИЦ «Луч» обследования показали, что состояние поверхности рисовых систем не соответствует современным требованиям и почти 41 % рисовых чеков нуждаются в точной планировке. При этом хозяйства не дополучают около 26 % урожая риса и потребляют примерно на 33 % больше поливной воды.

Поэтому одной из главных задач повышения урожайности риса и экономии поливной воды является проведение точной планировки на всей площади посевов риса.

Остается неясным как часто следует проводить точную планировку рисовых чеков, и какими критериями нужно руководствоваться при выборе типа землеройно-планировочных машин с лазерным управлением.



Рисунок 2 - Динамика роста среднеквадратических отметок и потерь урожайности риса в зависимости от времени эксплуатации чеков

Планировка рисовых чеков представляет собой сложный комплекс последовательных и неразрывно связанных между собой различных работ: предварительная вертикальная съемка поверхности земли, составление по данным съемки проектов планировочных работ, планировка поверхности земли по составленному проекту, контроль точности спланированной поверхности.

В настоящее время вертикальная съемка поверхности земли осуществляется, как правило, с применением широко распространенных оптических нивелиров.



Рисунок 3 - Схема автонивелира АН-1

Рисунок 4 - Схема съемки чека автонивелиром АН-1.

Существуют также другие методы геодезических измерений, основанные на использовании оптических и электронных теодолитов, тахеометров, GPS-оборудования (Global Positioning System-Глобальная Система Позиционирования.

Более перспективным средством нивелирования является лазерный автонивелир АН-1, предназначенный для автоматической вертикальной съемки поверхности земли, проведения в полевых условиях экспресс оценки неровностей и оперативного определения проектной отметки плоскости чека.

Схема автонивелира АН-1 изображена на рисунке 3. Автонивелир работает совместно с лазерным передатчиком 2, который устанавливается на штативе 1 и формирует круговую опорную горизонтальную плоскость 3. Автонивелир состоит из лазерного приемника 4, закрепляемого на верхнем конце штока электромачты 5, датчика пути 6, контроллера 7 с блоком памяти и соединительных кабелей 8 с коллектором 9. Автонивелир монтируется на самоходном шасси 10 (Т-16М). В качестве передатчика используются вышеупомянутые модели от лазерных нивелиров.

Принцип работы автонивелира основан на автоматическом удержании центра лазерного приемника на лазерной опорной плоскости, формируемой лазерным передатчиком, и измерении вертикальных перемещений приемника в процессе движения транспортного средства по поверхности земли.

В процессе движения транспортного средства по участку поля все перемещения штока электромачты, равные высотным отметкам съемки, автоматически записываются через 20 м пути и хранятся в памяти контроллера, куда одновременно передаются и записываются сигналы от датчика пути. В процессе работы автонивелир перемещается по полю от его угла по вынесенным параллельным створам челночным способом и осуществляет автоматическую запись высотных отметок поверхности земли относительно лазерной опорной плоскости (рисунок 4).

Основные недостатки вертикальной съемки с применением автонивелира АН-1:

значительный объем подготовительных трудоемких работ (разбивка плановой основы съемки, ручная расстановка и сбор множества вешек, вынос проектной отметки вручную с забивкой временного репера),



Рисунок 5 - Проект выборочной планировки рисового чека: а) - картограмма микрорельефа чека, б) - схема перевозки грунта

необходимость использования различного оборудования (лазерного нивелира, самоходного шасси и бригады из 2 человек).

Проект планировки чека состоит из контуров срезки и насыпей и зон нулевых работ. В правой части проекта указаны общие данные, объемы перемещаемого грунта, проектная урожайность и прогноз расхода поливной воды, % отклонений отметок поверхности от проектной плоскости в различных интервалах. На схеме перевозки грунта указаны маршруты его возки с повышений в понижения, объемы и дальность возки грунта по контурам (рисунок 5). Синий цвет соответствует насыпям, красный цвет - срезкам. По окончании вычислений проект планировки чека записывается в файл и производится его распечатка. Составленный проект используется в дальнейшем для проведения планировочных работ.

Однако проектирование планировочных работ с программным обеспечением ПО-ЧЕК имеет следующие недостатки:

значительный разрыв по времени между съемкой при помощи автонивелира и составлением проекта на компьютере,

проектирование планировочных работ рассчитано только на челночный маршрут съемки.

Эти недостатки можно избежать при составлении проекта планировки непосредственно на машине, при помощи которой проводят съемку.

При проведении капитальной и эксплуатационной планировки рисовых чеков применяют скреперы и планировщики. Наибольшее распространение получили полуприцепной скрепер ДЗ-87-1 к трактору Т 150К и скрепер ДЗ-77А к трактору Т-170 или К-701. Скреперы эффективны при больших объемах земляных работ (более 150 м3/га), значительной толщине срезки (более 10 см) в грунтах 1-2 категории и при больших расстояниях возки грунта (более 50 м).

Длиннобазовые планировщики с бездонным ковшом выполняет срезку грунта с повышений, волочение призмы срезанного грунта и отсыпку его в понижения с образованием спланированной полосы. Они рассчитаны на работу в различных по составу грунтах 1 категории с влажностью не более 20 - 25 %. Среди прицепных длиннобазовых планировщиков наиболее известны модели П-2.8, П-4.0, Д-719, ДЗ-601, ДЗ-602, ДЗ-602А. Они используются в основном для выравнивания микронеровностей при проведении эксплуатационной или доводочной планировки, которая проводится после капитальной планировки.

Во второй главе проводился анализ состояния поверхности рисовых чеков и обоснования концепции унифицированной планировочной машины.

Практика планировки показывает, что технологии и технологические средства выравнивания еще далеки от совершенства. Одной из причин такого положения является отсутствие точной и полномасштабной информации о микронеровностях поверхности чеков. Наиболее объемной и точной основой оценки этих неровностей можно считать систему, базирующуюся на основе представления поверхности в виде набора высотных отметок как случайных величин, объединенных в один массив данных. Тогда, по аналогии с понятием «случайная функция», поверхность чека можно представить как «случайную поверхность». Осуществив статистическую обработку высотных отметок поверхности поля как набора случайных чисел можно сформировать системные сведения о неровностях, их структуре и количественных характеристиках.

Характеристики микрорельефа рисовых чеков свидетельствуют о разнообразии структур и параметров неровностей. В настоящее время не учитывают особенности неровностей, используя типизированные технологии и стандартные средства механизации работ.

Рис. 6. Поверхность рисового чека, представленная в трехмерном изображении

Для эффективного осуществления планировки поверхностей чеков необходимо иметь информацию о самых важных параметрах неровностей, к которым относят наиболее часто встречающиеся их длины и амплитуды.

Для целесообразной и обоснованной оценки этих параметров могут быть использованы, как уже отмечалось, методы теории случайных функций.

Эта теория целесообразна, как основа для оценки характеристик случайных поверхностей, чем больше сами поверхности разнообразны.

На рисунке 6 в качестве примера приведено графическое изображение поверхности рисового чека. По данным высотной съемки, возможно сформировать первичные представления о структурах исходных поверхностей. Очевидно, что значения микронеровностей в значительной степени разнятся по величине и случайным образом распределены по поверхности чека.

Однако эти общего характера оценки структуры и параметров неровностей дают довольно мало информации, необходимой для решения конкретных задач эффективной организации планировочных работ и выработке рекомендаций по концепции планировочной машины.

К очень важным статистикам, позволяющим осуществить конкретные оценки параметров случайных поверхностей, следует отнести корреляционную характеристику, которую можно назвать, корреляционной поверхностью К(r, p).

Эмпирическая корреляционная поверхность может быть оценена по формуле 1

где n1, n2 - число строк и столбцов матрицы Z; r, p - смещение отсчетов при определении корреляционной поверхности по строкам и столбцам соответственно; D - дисперсия высотных неровностей чека, представленной матрицей Z.

На рис. 7 приведен график типичной эмпирической корреляционной поверхности, построенной по данным высотной съемки. Анализ графиков корреляционных поверхностей, безусловно, представляет возможность более определенно судить о, так называемом, волновом составе микронеровностей. Особенно такая определенность появляется после осуществления аппроксимации эмпирической поверхности.

Более точные данные о параметрах микронеровностей можно получить при помощи дополнительной математической статистики - спектральной плотности поверхности.

Спектральная плотность микрорельефа поверхности чека как случайной поверхности может быть подсчитана по формуле 2

Рисунок 7 - График типичной эмпирической корреляционной поверхности рисового чека

где n3 и n4 - число строк и столбцов соответственно матрицы корреляционной поверхности микрорельефа чека; Kx,y - эмпирическая корреляционная поверхность чека; x, y -волновые частоты неровностей по осям X и Y соответственно, м-1; Д - шаг отсчета при определении спектральной плотности. Шаг отсчета равен длине стороны квадратной сетки, используемой при съемке высотных координат неровностей чека (? = 20 м).

Рисунок 8. - График типичной эмпирической спектральной плотности чека

На рисунке 8 приведен график спектральной плотности чека, построенной в соответствии с формулой 2.

По оси Х (число отсчетов от 0 до 13) и по оси У (число отсчетов от 0 до 6) откладываются номера квадратов кратные шагу . Пики графика дают возможность сделать вывод о большем или меньшем процентном составе неровностей по длине. При этом длину неровностей можно оценить по следующим формулам:

где Tx, Тy - длины неровностей по оси X (это, как правило, по длинной стороне чека) и по оси У ( как правило по короткой стороне чека) соответственно, м; Хi, Хj - значения координат спектральной плотности, соответствующие ее пикам по оси Х или У соответственно. Доля дисперсии, приходящейся на какую либо конкретную по длине неровность DTi,j, может быть подсчитана по формуле 4:

Приведенные выше зависимости предоставляют довольно серьезную возможность для детальной оценки структуры и количества характеристик микронеровностей рисовых чеков.

где Х, У - диапазоны полосы пропускания для соответствующего пика спектральной плотности поверхности чека. Обыкновенно Х=У1; Sx,y матрица спектральной плотности.

В 2001… 2006 годах Инженерным центром «Луч» было проведено обследование состояния микронеровностей рельефа рисовых чеков в Краснодарском крае. Всего было обследовано более 100 чеков, площадь каждого из которых в среднем равна 4…6га. Общая площадь обследованных чеков составила свыше 500 га.

Общие результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты статистического анализа картограмм поверхностей чеков

Среднеквадратические отклонения, см	Процент от общего числа обработанной информации	Относительная высота неровностей, см	Средний удельный объем работ при выравнивании поверхности чека, м3/га	Средняя площадь чека, га
		минимальная	максимальная
? 3	8,7	9,1	-11	85,12	4
? 3 - ?5	65,0	24	-19	140,32	4,5
? 5	26,2	22	-20	251,85	4,6

Полученные данные были разделены на три группы по величине среднеквадратического отклонения. Первая группа - до 3 см, вторая - от 3 до 5 см и более 5см.

По результатам анализа было определено, что на 65% рисовых чеков среднеквадратическое отклонение находится в диапазоне 3… 5 см. Это означает, что на этих площадях удельный объем работ составляет от 100 до 200 м3/га. На таких чеках возможно осуществление выборочного выравнивания поверхности (с использованием скреперов).

Поверхность чеков, имеющих значение среднеквадратичных неровностей менее 3 см, лучше всего выравнивать, выполняя сплошную планировку.

Что касается рисовых чеков со значительными неровностями (КСО > 5см), то в этом случае наиболее эффективным будет применение выборочного выравнивания поверхности.

Из общего числа обследованных чеков даже самый выровненный имеет среднеквадратическое отклонение высотных отметок S = 3,08 см, что соответствует средней амплитуде равной примерно 4,0 … 4,5 см. Величина этой амплитуды превышает допуск на 40%. Подробный анализ микронеровностей для этого чека свидетельствует о следующем. Для площади чека, равной 5,44 га, 1,5 га можно считать негодными для эксплуатации, причем на площади 0,9 га требуется срезка, а на площади 0,6 га подсыпка почвы. При этом следует отметить, что приведенные цифры получены из условия выравнивания микрорельефа под «нулевую» плоскость.

Для одного из худших полей по выровненности среднеквадратическое отклонение высотных отметок составляет 5,75 см, что соответствует средней амплитуде неровностей А = 8 см. Из общей площади чека, равной 6,12 га, почти 6,0 га нельзя признать годными к эксплуатации, из них 3,4 га требует срезки, а площадь, равная 2,6 га - подсыпки.

Таким образом, для ориентировочной, но довольно надежной и устойчивости оценки годности поля можно использовать сведения о площадях, требующих срезки и подсыпки.

Введем понятие коэффициента дефектности поля Кд, значение которое можно определить в виде следующего соотношения:

где SСР - суммарная площадь чека, неровности которой по вертикали возвышаются над «нулевой» плоскостью больше чем на 3 см, м2. Это - потенциальная площадь срезки; SН - суммарная площадь части чека, неровностей по вертикали ниже «нулевой» плоскости больше чем 3 см, м2. Это - потенциальная площадь подсыпки.

Таблица 2 - Сводная таблица анализа картограмм чеков

№№	Среднеквадратическое отклонение микронеровностей S, см	Коэффициент дефектности рисового чека КД	Средняя толщина срезаемого грунта, см	Средняя толщина насыпаемого грунта, см	Объем работ по срезке, м3	Объем работ по насыпи, м3	Коэффициент соотношения удаленности дефектных участков чека по срезке и насыпи, КОТ.УД/ К -1ОТ.УД
832	5.74	0.61	5	8	1015	1143	0.39/2.57
851	5.28	0.59	7	5	1071	1127	1.08/0.93
881	3.63	0.37	5	6	400	560	0.72/1.39
882	3.25	0.37	5	5	456	418	0.84/1.19
931	3.08	0.34	4	5	422	423	0.78/1.28
941	3.21	0.38	4	5	401	392	2.82/0.36

Значения этого коэффициента для обследованных полей изменяются в пределах от 0,3 до 0,98.

Таким образом, сведения, которые получены по итогам обследования рисовых чеков, во многом определяют необходимые действия по восстановлению их ровности.

Однако эти сведения не дают, все-таки, представления о том, каким образом распределяются участки поверхности чеков с недостаточной ровностью по всей площади. Такая информация как раз и может дать основу для выработки концепции планирующей машины, в наибольшей степени отвечающей потребностям производства.

Такого рода информацией может послужить отношение удаленностей поверхности чеков, требующих срезки и подсыпки, от какой-либо одной точки. Этот показатель можно определить при помощи формулы:

где КОТ.УД - коэффициент относительного удаления; L1 - средневзвешенная удаленность транспортировки грунта, который необходимо срезать, от начала координат; L2 - средневзвешенная удаленность транспортировки грунта, который необходимо подсыпать в нужные места.

Анализ данных, приведенных в таблице 2., свидетельствует о том, что использование коэффициента КОТ.УД позволяет оценить степень равномерности распределения участков, требующих выравнивания, по площади чека.

Таблица 3 - Обобщение статистических данных по неровностям поверхностей чеков по длинной их стороне.

Дисперсия неровностей D, см2 Среднеквадратическое отклонение s, см	Доля дисперсии, приходящаяся на неровности длиной, %
	Более 120 м	около 40 м	около 20 м	около 10 м
9,5… 33,0 3,1… 5,8	18,5… 30,4	13,4… 30,6	23,6… 41,2	14,3… 32,8

Значения коэффициента КОТ.УД можно интерпретировать следующим образом: при величине КОТ.УД = 1 дефектные участки распределены по площади чека равномерно, что объективно отвечает целесообразности сплошного выравнивания поверхности, то есть требует использования мелиоративного планировщика c рабочим органом в виде бездонного ковша.

При значительной неравномерности распределения дефектных участков на площади чека целесообразней использовать скрепер, позволяющий перевозить грунта в закрытом ковше на значительные расстояния (более 50… 100 м).

Использование аппарата случайных функций, применительно к анализу случайной поверхности, позволяет представить анализируемую поверхность в виде трехмерного графического изображения. Такое изображение позволяет представить в наглядном виде структуру неровной поля в целом. Однако количественный анализ закономерностей изменения высотных отметок микронеровностей по графику такого рода довольно затруднителен.

Применение для анализа неровностей поверхности спектральных плотностей позволяет более точно и конкретно оценить распределение неровностей по их длинам. В таблице 2 приведены обобщенные сведения о неровностях по данным спектральных плотностей 20-ти чеков.

Как показал анализ большинства чеков, они имеют в плане форму прямоугольника с соотношением сторон примерно 2:1. В таблице 3 приведены данные о распределении в направлении длинной стороны чека. Средние величины процентного соотношения неровностей с разными длинами получаются следующими: доля дисперсии высотных неровностей, приходящаяся на длины 120 м и более, равна 24 %, для неровностей с длинами около 40 м - 22 %, для неровностей с длинами около 20 м - 31%, для неровностей с длинами около 10 м-23 %.

По всей видимости, при сельскохозяйственных работах машины и оборудование движется в большинстве случаев вдоль длинной стороны чека, что приводит к закономерному изменению микрорельефа именно этой стороны

Принято подразделять планировку на капитальную, проводимую по опыту работы хозяйств с интервалом 5-8 лет, и эксплуатационную (текущую), выполняемую ежегодно перед посевом риса.

На рисунке 9 представлены зависимости удельных объемов земляных работ W и высот срезок Н от среднеквадратических отклонений уi, которые получены на основании анализа и обобщения 93 картограмм рисовых чеков в различных хозяйствах Краснодарского края.

Зависимость удельных объемов земляных работ от среднеквадратических отклонений, как видно на рисунке 9, носит прямолинейный характер и ее можно представить в следующем виде:

Wi = Wо + К· (уi - уо),

где Wi- удельные объемы земляных работ, мі/га,

Wо - начальная величина удельных объемов земляных работ, равная 67,4 мі/га,

уi - среднеквадратические отклонения, см,

уо - начальное значение среднеквадратических отклонений, равное 2,4 см,

- угловой коэффициент прямой, равный 50 мі/га · см .

Анализ обработанных данных показывает, что при изменении среднеквадратических отклонений уi от 2,35 до 2,99 (у ? 3 см) объемы земляных работ Wi колеблются в пределах 67,4-99,7 мі/га. При этом величины максимальных срезок находятся в пределах 6-9 см (среднемаксимальное значение 7,4 см). К Округленное максимальное значение 100 мі/га будет определять условия применения сплошной планировки. В этом случае объем призмы волочения грунта в бездонном ковше является достаточным для непрерывной его срезки и подсыпки в процессе движения машины.

Сплошная планировка осуществляется параллельными полосами, которые примыкают друг к другу и покрывают всю площадь чека. Выборочная планировка проводится в соответствии с намеченным маршрутом движения машины, обозначенным линиями со стрелками на проекте планировки (картограмме) чека, когда грунт из мест срезок перевозится в места насыпей, а зоны нулевых работ не планируется

Для ориентировочного определения сроков проведения периодической и капитальной планировки рассмотрим рисунок 9, где сверху построена зависимость среднемаксимальных высот срезок Н от среднеквадратических отклонений. Из практики проведения планировки скреперами выявлено, что эффективность набора ковша грунтом зависит от толщины срезки. При этом величина срезки должна быть больше 10 см, т. к. при мелких срезках происходит длительная и неполная загрузка ковша грунтом. Поэтому наиболее целесообразно использовать скрепер при толщине срезки более 10 см. Кроме того, скрепер может работать на грунтах 1-2 категории при его влажности до 35% за счет принудительной выгрузки грунта. Планировщики с бездонным ковшом рассчитаны на применение в грунтах 1 категории с влажностью до 15 - 20% при максимальной толщине срезки не более 10 см.

Рисунок 9 - Зависимость удельных объемов земляных работ (W) и высот срезок (Н) от среднеквадратических отклонений

Принимая во внимание, что максимальные высоты срезок для планировщиков не должны превышать 10 см, проведем на рисунке 5 горизонтальную линию от высоты 10 см до пересечения с ломаной линией Н. Затем из точки их пересечения опустим перпендикуляр до оси абсцисс и найдем искомую величину среднеквадратического отклонения, равную 4,1 см, которая будет устанавливать предел условий применения планировщиков. Проведя горизонтальную линию из точки пересечения перпендикуляра с прямой W , найдем по оси ординат величину объемов земляных работ, равную 151 (округленно 150) мі/га. Учитывая, что полученное среднеквадратическое отклонение (близкое к 4,2 см) наблюдается на 2 год после проведения точной планировки (рисунок 2), то можно ориентировочно рекомендовать срок проведения периодической планировки через 2 года. В то же время капитальную планировку следует назначать после 3 года эксплуатации рисового чека, когда среднеквадратические отклонения будут больше 5,1 см, а объемы земляных работ будут превышать 204 (200) мі/га. Из общей площади рисовых чеков, где проводилась вертикальная съемка автонивелиром, около 60 % соответствуют объемам земляных работ до 150 мі/га и примерно 7 % из них относятся к объемам земляных работ, не превышающими 100 мі/га.

Для проверки полученной взаимосвязи между величиной срезки, равной 10 см, и объемом земляных работ, равным 150 мі/га, из имеющих данных съемки была сделана выборка всех значений высот срезки грунта от 9 до 11 см и соответствующих им объемов земляных работ. Результаты вычисленных значений показывают, что при средней срезке 10,1 (10) см средний объем земляных работ составляет 163,9 (округленно 160) мі/га. Это подтверждает сделанный выше вывод о том, что величина срезки 10 см соответствует объемам земляных работ 150-160 мі/га и поэтому срок проведения периодической планировки можно приближенно принять равным 2 года.

Из сказанного следует, что при капитальной планировке с объемами земляных работ, превышающими 150 мі/га, целесообразно применять в качестве землеройно-планировочной машины скреперы ДЗ-77 или ДЗ-87 с лазерно-приемной аппаратурой (типа ОКО-30), которые эффективно работают при толщине срезки более 10 см. Ежегодную планировку с объемами земляных работ не выше 100 мі/га нужно проводить короткобазовыми планировщиками ПАУ-2 с лазерным управлением при толщине срезки до 10 см. При объемах земляных работ до 150 мі/га, когда толщина срезки не превышает 10 см, использовать планировщик ПАУ-2 невыгодно т.к. потребуется дополнительно скрепер. Поэтому для этой цели необходимо разработать новую машину (скрепер-планировщик), которая могла бы работать как планировщик с бездонным ковшом и в то же время выполнять функции скрепера при переполнении ковша грунтом. Кроме того, скрепер-планировщик следует оснастить универсальной лазерно-программной системой автоматического управления (ЛП САУ) на основе усовершенствования автонивелира АН-1, которая могла бы обеспечить не только съемку поверхности земли, но и оперативное составление проекта планировочных работ после съемки и затем точную планировку и контроль точности работ.

До проведения капитальной планировки рекомендуется проводить типовую съемку с применением автонивелира АН-1 и последующее составление по данным съемки на компьютере с программным обеспечением ПО ЧЕК проекта планировки, где указаны маршруты передвижения машины из зон срезок в зоны насыпей. По составленным картограммам скрепером с лазерным управлением первоначально ведется выборочная (основная) планировка, а по ее завершению сплошная (доводочная) планировка с помощью планировщика, оснащенного лазерной системой управления, при объемах земляных работ после работы скрепера, не превышающих 100 мі/га.

Ежегодную сплошную планировку с объемами земляных работ до 100 мі/га целесообразно проводить новым скрепером-планировщиком (или планировщиком ПАУ-2), оснащенным лазерно-программной системой управления (ЛП САУ). При объемах земляных работ до 150 мі/га рекомендуется использовать новый скрепер-планировщик с ЛП САУ. При этом сначала выполняется выборочная (основная), а затем сплошная (доводочная) планировка.

В третьей главе производилось формирование концепции конструирования универсальной планировочной машины.

Оценим процесс формирования объема призмы волочения при работе планировщика во время срезки неровностей различной длины.

На рисунке 10 показана схема формирования призмы волочения при срезке. Объем грунта V (заштрихованная поверхность), который должен поместиться перед отвалом бездонного ковша планировщика, находится по формуле 8

где В - ширина ковша, м; Т - длина неровности, м; а - амплитуда неровности, м; АТ - значение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) для конкретной длины неровности Т1; х - текущее значение пути передвижения машины, м;

На рисунке 11 представлены графики АЧХ для неавтоматизированного (1) и автоматизированного (2) планировщиков.



Рис. 10. Схема к расчету срезаемого грунта.1 - исходная поверхность срезки; 2 - поверхность после срезки

Анализ графиков, представленных на рисунке 10 показывает, что автоматизированный планировщик эффективно выравнивает неровности с волновой частотой от 0,05 до 0,5 м-1. При больших значениях щ процесс планировки для автоматизированного и неавтоматизированного планировщиков примерно одинаков.

Рис.11. Графики АЧХ . автоматизированного и неавтоматизированного планировщика

Волновые частоты щ=0,05…0,5 по известным выражениям соответствуют длинам неровностей .

Графики АЧХ рисунка 11 построены в соответствии со следующими формулами:

где L - длина базы планирования, м; l - расстояние от задних колес до режущей кромки рабочего органа, м; б - соотношение между l и L; ; П1(S) - передаточная функция неавтоматизированного планировщика; П2(S) - передаточная функция автоматизированного планировщика; ПА(S) - передаточная функция системы автоматического управления ковшом планировщика по высоте;

Имея все необходимые исходные данные можно построить зависимость V (см. формулу 8) от длины неровности

Анализ графиков 1 и 2 на рисунке 11 дает возможность сделать вывод о значительном возрастании объема срезаемого грунта при работе автоматизированного планировщика при планировке длинных неровностей. При изменении длины неровности в пределах от 10 м до 100 м объем срезаемого грунта увеличивается от 1 м3 до 11 м3.



Рис. 11. Зависимость объема срезаемого грунта от длины неровности 1 - автоматизированный; 2 - не автоматизированный

В то же время для тех же длин неровностей при работе неавтоматизированного планировщика объем срезаемого грунта возрастает до 2 м3 , начиная с 1 м3, а потом уменьшается до 1,4 м3. При выравнивании неровностей длиной 30…40м и более автоматизированным планировщиком, объем призмы грунта которого не должен превышать 3…4 м3, будет иметь место переполнение ковша, в то время как при работе неавтоматизированным планировщиком переполнение ковша будет происходить редко, что подтверждает практика.

Амплитуда колебаний объема призмы волочения грунта для неавтоматизированного планировщика при выравнивании неровностей, 50% которых имеет длину 60м и более, составляет 0,7 м3. Для автоматизированного планировщика эта цифра примерно равна 4 м3.

Таким образом неавтоматизированный планировщик практически не выравнивает длинные неровности. Автоматизированный планировщик обеспечивает выравнивание длинных неровностей. Однако при этом периодически происходит переполнение грунтом ковша, что требует применения дополнительно другой машины-скрепера. Отсюда возникает необходимость для создания планировочной машины со свойствами скрепера и классического планировщика.

К разработке конструкции скрепера-планировщика предъявляются следующие требования:

разрабатываемая машина должна обеспечить ее работу в режиме скрепера и планировщика с бездонным ковшом.

базовой конструкцией скрепера-планировщика должен быть серийный короткобазовый планировщик ПАУ - 2 с основными характеристиками, представленными в таблице 1.4.3 (глава 1).

вместимость ковша - не менее 4 м3.

клиренс - не менее 50 см.

масса - не более 5 т.

толщина срезки грунта - не менее 15 см.

Таблица 4 - Технические характеристики скрепера-планировщика

№ п/п	Показатели	Марка машины
		СП-4,0	СП-4,0М
1.	Тяговый класс трактора, тс	6 - 9
2.	Тип навески	Полунавесной
3.	Ширина захвата, м	4,2
4.	Вместимость ковша, м3	4	5
5.	Скорость передвижения, км/ч: - рабочая, - транспортная.	3 - 7 до 35
6.	Дорожный просвет, см	50	50
7.	База, м: - в рабочем положении - в транспортном положении	6,4 6,2	6,4 6,2
8.	Масса, кг	4350	4850
9.	Максимальная глубина срезки, см	15	15
10	Габариты, см: - в транспортном положении, - в рабочем положении	684х440х326 698х440х276	684х440х326 698х440х276

Проектируемый ковш скрепера-планировщика должен сохранять все перечисленные преимущества ковшей планировщика и скрепера и одновременно устранять все их недостатки. Для достижения этой цели возникла новая идея конструирования ковша с перемещаемой заслонкой. За основу принят традиционный бездонный ковш планировщика в виде отвала и боковых стенок.

Режим планировки осуществляется при поднятой заслонке путем срезки повышений, периодического заполнения ковша грунтом, непрерывного перемещения призмы волочения грунта и отсыпки его в понижения. Скреперный режим обеспечивается при опущенной заслонке, которая образует замкнутую емкость (из ковша и заслонки) и запирает набранную призму волочения.

При подъеме заслонки грунт самопроизвольно отсыпается из ковша на ходу машины. Конструкция скрепера-планировщика защищена патентом на полезную модель. Новая конструкция ковша с изменяемой геометрией позволяет быстро переходить из режима работы планировщика в режим работы скрепера.

Общие технические характеристики конструкций скрепера-планировщика СП-4,0 и СП-4,0М представлены даны в таблице 3.

Обе машины были изготовлены, успешно прошли заводские испытания и работают на полях краснодарского края.

В четвертой главе описывается проведение лабораторных и полевых исследований скрепера-планировщика В условиях решения поисковых задач (особенно при моделировании взаимодействия рабочих органов с грунтом) наиболее целесообразным является физическое и физико-математическое моделирование. Методы физического моделирования дают возможность получения широкой информации по качественным и количественным характеристикам процессов.

Общие теоретические основы подобия и моделирования процессов взаимодействия рабочих органов с грунтом разработаны В.И. Баловневым. Линейные размеры модели при физическом моделировании были определены с учетом масштабного коэффициента, вычисленного по формуле Баловнева В.И.

Рис. 12 Схема грунтового лотка.

1 - лоток, 2 - привод, 3 - тележка, 4 - цифровой датчик, 5 - модель планировщика, 6 - грунт, 7 - усилительный терминал

В качестве основных параметров при экспериментальных исследованиях были приняты длина и амплитуда неровностей, плотность грунта, его влажность, угол резания ножа планировщика в продольной вертикальной плоскости.

С целью исключения систематических ошибок вызываемых неконтролируемыми переменными, опыты были рандомизированы.

При проведении эксперимента тщательно соблюдалось постоянство всех факторов, кроме изменяемых. Каждый опыт повторялся несколько раз (не менее 5) для получения более достоверных результатов.



Рисунок 13. Модель бездонного ковша

1 - боковая стенка; 2 - отвальная поверхность; 3 - смотровое окно боковой стенки; А - сетка 20х20мм

Для исследования физических моделей мелиоративных машин и специализированного рабочего оборудования с целью получения необходимых данных для теоретических выкладок и проверки выдвинутых гипотез в лаборатории мелиоративных машин кафедры МиСМ МГУП был спроектирован и используется стенд - грунтовый лоток со специальной тележкой. К тележке 3 прикрепляется испытуемая модель рабочего органа 5. Стойка посредством болтовых зажимов может фиксироваться в направляющей на любом уровне. Таким образом, осуществляется изменение глубины разработки грунта или срезки неровности при одном и том же уровне грунта в канале.

Передвижение тележки с лабораторной установкой осуществляется с помощью лебедки, приводимой в движение электроприводом 2 с частотным управлением.

Целью экспериментов является определение максимального тягового усилия, изучение колебаний объема призмы волочения в бездонном ковше и проверка возможности проведения сплошного выравнивания без переполнения ковша.

Для проведения экспериментов разработана модель бездонного ковша в масштабе 1:2,5 по высоте и длине. Так как по ширине неровности будут распределяться равномерно, то ширину модели можно принять равную 10% от оригинала.

На боковую стенку 1 устанавливается видеокамера, объектив которой направлен на прозрачную поверхность 3. Нанесенная на стекло градуировка с дискретностью шага 20мм позволит анализировать видеозапись и определить объем призмы волочения в реальном масштабе времени и сопоставить полученные данные с результатами тензометрии.

В первом опыте была воссоздана неровность длиной 20 метров и высотой 6 см. На рисунке 5.4.5.а в виде графика представлено изменение объема призмы волочения при сплошном резании грунта без отсыпки. Теоретическая прямая (ряд 2) объема грунта в ковше постоянно возрастает, так как площадь срезаемой стружки постоянна, а изменение плотности грунта не учитывается.

На кривой, отображающей действительное изменение объема призмы волочения (ряд 3) до 7й секунды проведения эксперимента практически совпадают. Объем призмы при этом равен половине максимально возможного. Далее становится заметно снижение темпа заполнения ковша при достижении объема грунта приблизительно равным половине объема бездонного ковша.



Рис 14а Динамика изменения объема Призмы волочения 1 - теоретический; 2 - практический

Рис 14б Суммарное усилие на резанье и транспортировку грунта

К концу воссозданной неровности теоретический и практический объемы сходятся. При анализе видеозаписи проведенного эксперимента отчетливо заметно, что до 7-8 секунды большая часть площади призмы срезанного грунта распространяется по стенке отвала. И лишь незначительная ее часть контактирует с поверхностью чека. При дальнейшем движении (8-11я секунда) грунт в призме волочения начинает уплотняться под действием вновь срезаемого грунта. Это негативно сказывается на перемешивании грунта в ковше и призма начинает больше контактировать с поверхностью чека. В свою очередь возрастание пятна контакта призмы с поверхностью чека вызывает увеличение темпа возрастания усилия.

При пересчете тяговых усилий полученных на модели к натурным мы получили следующее: по прошествии 20ти метров машина остается работоспособной, но находится на пределе своих возможностей. Следовательно, максимальная характеристика поверхностей при которых бездонный ковш не требует разгрузки это неровность длиной 20-25м и амплитудой 6см. Для определения энергоемкости процесса транспортировки грунта в бездонном ковше уровень грунта в лотке выравнивается, так чтобы при движении модели не производилась срезка грунта, что отрицательно скажется на точности полученных данных. Модель (рисунок 15) устанавливается на стартовую отметку. Бездонный ковш модели наполняется с таким учетом, чтобы объем грунта соответствовал максимальному объему призмы машины, с учетом масштабного коэффициента.

Таким образом, при движении получим усилие, потребное для перемещение машины с максимальным объемом грунта в ковше. Следующим этапом эксперимента является проведение сравнительного анализа энергоемкости процесса транспортировки грунта скреперным методом (в закрытом бункере) и в бездонном ковше.

Рисунок 15 Автоматизированная модель скрепера-планировщика 1:10 с имитатором гидроблока

Для проведения эксперимента модель переводится транспортное положение. Далее заслонка ковша переводится в закрытое положение, образуя закрытый бункер. В образовавшуюся емкость помещается грунт по объему равный грунту, который помещали в бездонный ковш в первой части эксперимента. Полученные данные были приведены к натурным и отображены на рисунке 5.4.8. Среднее тяговое усилие в режиме планировщика составляет 4,5т и колеблется в интервале от 4 до 5,2т. Такой разброс значений обусловлен тем, что при движении ковша по поверхности чека происходит периодическая отсыпка и срезка грунта. В скреперном режиме среднее тяговое усилие составило 0,63т, а колебание нагрузки от 0,4 до 0,8т.

Рисунок 16. Сравнение тяговых усилий 1 - планировщик; 2 - скрепер-планировщик

Приведенные к натурным данные по проведенным экспериментам показали что скрепер планировщик может агригатироваться к любой базовой машине шестого тягового класса. Наиболее часто встречающиеся неровности имеют характеристики 6-9 метров и амплитуду 5-12см. Необходимо провести исследования изменения призмы волочения при работе машины на подобных неровностях. Для проведения эксперимента на поверхности грунта будут воссозданы соответствующие неровности (рисунок 17.)

Для точной регистрации изменения объема призмы волочения на рабочий орган будет установлена видеокамера, которая позволит точно фиксировать срезку и отсыпку грунта. Рассмотрим полученные данные.

На графики отображающие тяговое сопротивление движения модели наложили кривые отображающие теоретическое изменение призмы волочения.

На первом графике объем призмы волочения в максимальной точке равен 33120см3, что примерно равно половине максимально возможной призмы волочения для модели в масштабе 1:2,5. Во втором графике объем призмы составляет 66% от максимально возможной, а в третьей примерно равна своему допустимому максимуму 98,7%.

...