РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ПЛУГА ОБЩЕГО

На правах рукописи

Бойкова Елена Васильевна

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОСНОВНОЙ

ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ И ПЛУГА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2010

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

Научный руководитель	доктор технических наук, профессор Старцев Сергей Викторович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Ларюшин Николай Петрович
	кандидат технических наук Афонин Александр Евгеньевич

Ведущая организация ГНУ «НИИСХ Юго-Востока».

Защита диссертации состоится 22 декабря 2010 г. в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» 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 19 ноября 2010 г. и размещен на сайте: www. sgau.ru.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и

кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время при производстве продукции растениеводства каждая базововая технология возделывания сельскохозяйственных культур включает в себя основную обработку почвы на глубину 20…30 см. Это может быть рыхление почвы с оборотом почвенного пласта – отваль­ная технология и без оборота почвенного пласта – безотвальная технология.

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.

Проведение отвальной вспашки позволяет улучшать плодородие почвы, способствует накоплению и сохранению в ней запасов влаги, снижает засоренность полей. Главным недостатком отвальной технологии является нарушение структуры почвы, которое происходит в результате оборота раскрошенного пахотного слоя.

Безотвальная технология обработки почвы, имея ряд преимуществ в сравнении со вспашкой (высокая производительность агрегатов, сохранение структуры почвы, предотвращение эрозионных процессов), также не лишена недостатков: сложность внесения органических удобрений, высокая вероятность засорения полей, необходимость проведения дополнительных операций по крошению почвы.

Широко применяемые почвообрабатывающие орудия для выполнения основной обработки почвы (плуги общего назначения, плоскорезы-глубокорыхлители, чизельные плуги), как показывают исследования, имеют высокое тяговое сопротивление, низкую производительность, что приводит к значительным энергетическим затратам пахотных агрегатов. Возможности снижения энергозатрат обработки почвы традиционными методами уже не могут обеспечить высокой эффективности её реализации. В связи с этим возникла необходимость в разработке более совершенной технологии основной обработки почвы и создании плугов общего назначения для ее выполнения.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по теме № 4 «Разработка технического обеспечения аграрных технологий», раздел 4.2 «Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин для основной обработки почвы», «Региональной программой развития сельского хозяйства Саратовской области до 2012 года» (распоряжение правительства Саратовской области № 260 ПР), а также целевой программой «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия Саратовской области на 2008–2012 годы» (закон Саратовской области от 09.11.2007).

Цель работы – снижение энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы за счет разработки плуга общего назначения с комбинированными рабочими органами.

Объект исследований – технологический процесс основной обработки почвы, выполняемый плугом общего назначения с комбинированными рабочими органами.

Предмет исследований – закономерности снижения энергоемкости основной обработки при взаимодействии с обрабатываемым слоем почвы плуга общего назначения с комбинированными рабочими органами.

Методика исследования. Общая методика исследований предусматривала разработку энергосберегающего технологического процесса основной обработки почвы, механико-технологическое обоснование предлагаемого комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения. Теоретические исследования проводили с использованием основных положений классической и земледельческой механики, математики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования осуществляли в лабораторно-полевых и хозяйственных условиях в соответствии с действующими ГОСТами и частными методиками. Обработку результатов экспериментов выполняли с использованием статистических методов с применением ПК.

Научная новизна. Разработан энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы, обоснована конструктивно-технологическая схема комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения. Получены аналитические выражения, позволяющие определять энергоемкость технологического процесса основной обработки почвы, параметры рабочих органов и плуга общего назначения.

Практическая значимость. Разработанный плуг общего назначения с комбинированными рабочими органами, агрегатируемый с тракторами тягового класса 5, снижает себестоимость механизированных работ по сравнению с известным плугом ПНЛ-8-40 на 29,5 %, обеспечивает увеличение часовой производительности на 25,0–28,9 % и снижение энергоёмкости технологического процесса на 28–33 %. При этом показатели качества выполнения технологического процесса соответствуют агротехническим требованиям, предъявляемым к основной обработке почвы.

Разработанный плуг общего назначения был испытан на Поволжской МИС (Самарская область, п. Усть-Кинельский), которая рекомендует поставить его на серийное производство (протокол № 08712008(5010062).

Реализация результатов исследований. Плуг общего назначения с комбинированными рабочими органами использовался для основной обработки почвы на полях ЗАО «Заря – 2004» (Саратовская область, Марксовский район), ООО «Наше дело» (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 плугов общего назначения, а также включить в учебный процесс вузов при изучении дисциплины «Сельскохозяйственные машины».

Апробация. Основные положения диссертационной работы и ее результаты были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на конференции по итогам научно-исследовательской и производственной работы студентов Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (2003 г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (20072010 гг.), Международных научно-практических конференциях «Вавиловские чтения» (2005, 2007, 2009 гг.), Международной конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству», посвященной 90-летию Самарской ГСХА (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации издано 12 работ общим объемом 1,91 печ. л., из них лично соискателю принадлежит 1,02 печ. л. Имеются патенты на полезную модель РФ (№ 93616, № 56108) и на изобретение (№ 2379864). Опубликованы 3 статьи в изданиях, включенных в «Перечень ведущих журналов и изданий…» ВАК РФ. Остальные работы напечатаны в сборниках научных трудов и сборниках материалов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и 21 приложения. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 55 рисунков. Список литературы включает в себя 102 наименования, в том числе 2 – на иностранных языках.

На защиту выносятся следующие научные положения:

• энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы;
• конструктивно-технологическая схема комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения;
• аналитические зависимости для определения энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы, параметров комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и значимость темы.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» рассмотрены существующие почвообрабатывающие орудия для основной обработки почвы и агротехнические требования, предъявляемые к ним. Проведен анализ технологических процессов, выполняемых известными отвальными плугами общего назначения, плоскорезами-глубокорыхлителями и чизельными плугами, оценены результаты их работы, указаны дальнейшие направления их развития.

Развитию исследований в области механизации процессов основной обработки почвы способствовали классические труды основоположника земледельческой механики академика В.П. Горячкина и продолжателей его идей – Н.В. Щучкина, Г.Н. Синеокова, В.В. Кацыгина, И.М. Панова, А.Т. Вагина, П.Н. Бурченко, П.У. Бахтина, Т.С. Мальцева, В.И. Румянцева, В.В. Бледных, А.П. Спирина, А.П. Грибановского, А.С. Кушнарева, В.М. Мацепуро, А.И. Любимова, А.Б. Коганова, В.А. Милюткина и других ученых.

Для выполнения основной отвальной обработки почвы используют плуги общего назначения ПЛН-5-35, ПНЛ-8-40, ПНИ-8-40, для безотвальной обработки – плоскорезы-глубокорыхлители ПГ3-100; ПГ-3-5; КГН-4-6; ГУН-4; ГР-4,3; ПРГ-5,4 и лемешно-отвальные плуги, укомплектованные стойками СибИМЭ (ЛП-0,35); для чизельной обработки почвы применяют плуги ПЧ-4,5; ПРПВ-8-50. Аналогичные почвообрабатывающие орудия производятся наиболее известными иностранными фирмами Lemken, Кverneland, Eberhard, Kuhn, Naud и др.

В результате анализа технологических процессов основной обработки почвы было установлено, что энергозатраты на выполнение этой операции плоскорезами-глубокорыхлителями на 20–30 % ниже энергоемкости обработки почвы лемешно-отвальными плугами. Лемешно-отвальные плуги общего назначения хорошо заделывают стерню и растительные остатки, но при этом разрушают структуру почвы. Безотвальные орудия сохраняют структуру почвы, однако в этом случае повышается засоренность поля.

Учитывая достоинства отвальной и безотвальной обработок, целесообразно объединить эти технологические процессы.

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

• разработать энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы;
• теоретически обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения;
• провести теоретические исследования энергоемкости технологических процессов, выполняемых известным плугом общего назначения и плугом с комбинированными рабочими органами;
• провести экспериментальные исследования разработанного технологического процесса основной обработки почвы, выполняемого плугом общего назначения с комбинированными рабочими органами;
• исследовать эффективность использования предлагаемого плуга в хозяйственных условиях и дать экономическую оценку его применения.

Во втором разделе «Теоретические исследования снижения энергоемкости технологического процесса основной обработки почвы, обоснование комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения» представлены разработанный энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы, конструктивно-технологические схемы нового рабочего органа и плуга общего назначения, обоснованы основные параметры комбинированного рабочего органа и плуга общего назначения.

Для снижения энергетических показателей технологического процесса основной обработки почвы, при условии соблюдения агротехнических требований, необходима следующая комбинация отвальной и безотвальной обработок (рис. 1).

Рис. 1. Схема комбинации отвальной и безотвальной обработок почвы

Используя схему (см. рис. 1), был разработан энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы (рис. 2).

Рис. 2. Схема энергосберегающего технологического процесса

основной обработки почвы

Первоначально (рис. 2, а) производится вырезание пласта почвы сечением ab2 (позиция 1), который затем крошится и перемещается из положения 1 в положение 2 на необработанный пласт почвы (рис. 2, б). При этом происходит образование открытой борозды 3. Одновременно с перемещением пласта производятся вырезание и рыхление пласта 4 (рис. 2, б, в) сечением ab1. Далее разрыхленный пласт 4 перемещается в открытую борозду 3 и занимает положение 5 (см. рис. 2, в). Затем происходят вырезание и крошение пласта почвы 6 сечением ab2, который перемещается с оборачиванием на перемещенный ранее пласт 5 и занимает положение 7 (рис. 2, г). При этом образуется борозда 9 (рис. 2, д). В то же время при перемещении пласта 6 производятся вырезание (рис. 2, е) и рыхление пласта почвы 8 сечением ab1, который перемещается в открытую борозду 9 и занимает положение 10 (см. рис. 2, е). Затем вырезанный и разрыхленный пласт 11 (см. рис. 2, е) перемещается с оборачиванием на перемещенный ранее пласт 10 и занимает положение 12 (рис. 2, ж). При этом образуется борозда 13 (рис. 2, з). Далее технологический процесс обработки почвы повторяется аналогично предыдущим операциям.

Для теоретических исследований и обоснования конструктивно-технологической схемы рабочего органа, выполняющего энергосберегающий технологический процесс, представим технологический процесс, осуществляемый корпусом лемешно-отвального плуга, и технологический процесс, выполняемый стрельчатой лапой плоскореза-глубокорыхлителя, в виде блок-схем (рис. 3). При этом принимаем, что ширина захвата стрельчатой лапы соответствует ширине захвата корпуса лемешно-отвального плуга.

Рис. 3. Блок-схемы технологических процессов: а – основной отвальной

обработки почвы; б – основной безотвальной обработки почвы

На рис. 4 представлены различные комбинации блок-схем.

Используя условные обозначения, были рассмотрены различные варианты комбинаций реализации энергосберегающего технологического процесса. В результате было установлено, что технологический процесс (см. рис. 2) реализуется комбинацией блок-схем (рис. 4, г). В этом случае рабочие органы будут расположены по следующей схеме (рис. 5).

Рис. 4. Комбинации блок-схем: а – последовательное расположение; б – параллельное расположение; в – последовательно-параллельное расположение;

г – диагональное расположение

Удельное тяговое сопротивление Ку комбинации (см. рис. 4, г) корпусов плуга и стрельчатых лап определяется по формуле:

= (Rк + Rл) /а(b1+b2) = [G1f1+k1(ab1 0,5а2)+1(ab1 0,5а2)2 +

+ G2f2+k2(ab2 + 0,5а2)+2(ab2 + 0,5а2)2] / а (b1+ b2 ). (1)

где Rк, Rл – соответственно тяговое сопротивление корпуса плуга и стрельчатой лапы, кН.

Рис. 5. Схема расположения рабочих органов для реализации энергосберегающего технологического процесса

Расчет удельного тягового сопротивления был произведен при ширине захвата корпуса плуга b1 = 0,4 м; глубине обрабатываемого слоя почвы a = 0,27 м; коэффициенте трения корпусов плуга о почву f1 = 0,5; коэффициенте, характеризующем способность почвенного пласта сопротивляться деформации k1 = 35,5 кН/м2; коэффициенте, зависящем от формы отвала и свойств почвы 1 = 3,43 кНс2/м4; силе тяжести корпуса плуга G1 = 2,74 кН; ширине захвата стрельчатой лапы b2 = 0,4 м; коэффициенте трения стрельчатой лапы о почву f2 = 0,655; коэффициенте, характеризующем способность почвенного пласта сопротивляться деформации k2 = = 31,3 кН/м2; коэффициенте, зависящем от формы лапы и свойств почвы 2 = 1,46 кНс2/м4; силе тяжести корпуса лапы G2 = 1,4 кН. Зависимости удельного тягового сопротивления комбинации отвального и безотвального корпусов в функции скорости движения представлены на рис. 6.

Анализ зависимостей (см. рис. 6) показал, что удельное тяговое сопротивление комбинации рабочих органов меньше удельного тягового сопротивления корпусов плуга на 14,219,7 %, но выше удельного тягового сопротивления стрельчатых лап на 12,514,1 %.