Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной

На правах рукописи

Антонов Евгений Владимирович

Разработка технологического процесса планировки рисовых чеков с применением многофункциональной планировочной машины

05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

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:

1. Методика статистической оценки неровностей поверхности рисовых чеков в трехмерном ее представлении,
2. Обобщенные статические характеристики микрорельефов рисовых чеков,
3. Результаты выбора вида планировочных работ и типа землеройно-планировочных машин,
4. Разработанные конструкции универсальной планировочной машины - скрепера-планировщика,
5. Разработанные физические модели скрепера-планировщика и результаты их лабораторных исследований,
6. Комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности.
7. Усовершенствованная многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и результаты ее лабораторных и полевых исследовательских испытаний.
8. 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 i. 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 i 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 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 У 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),

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