Обоснование параметров и режимов работы ротационного рабочего органа для обработки почвы в интенсивных

На правах рукописи

АЛЁХИН Алексей Викторович

Обоснование параметров и режимов работы

ротационного рабочего органа для обработки почвы

в интенсивных садах

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Мичуринск-наукоград РФ

2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО МичГАУ) на кафедре «Тракторы и сельскохозяйственные машины»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Горшенин Василий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бычков Валерий Васильевич

кандидат технических наук, доцент

Манаенков Константин Алексеевич

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-исследовательский

институт садоводства им. И.В. Мичурина

Россельхозакадемии»

Защита диссертации состоится « 1 » июля 2010 года в 13 00 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101.

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

Автореферат разослан « 25 » мая 2010 г. и размещен на сайте ФГОУ ВПО «Мичуринский ГАУ» http://mgau.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Михеев Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Плоды и ягоды имеют большое значение в питании человека. В них содержится много биологически активных веществ - витаминов и микроэлементов.

Для получения максимальных урожаев с высоким качеством плодов выбирают такую систему содержания почвы в саду, которая сохраняла бы на должном уровне структуру, влажность почвы и определённый баланс в ней минеральных и органических веществ.

В современных интенсивных садах получил распространение способ залужения свободной части междурядий и содержания почвы в приствольных полосах под чёрным паром. Однако при длительном залужении происходит уплотнение почвы, наблюдается потеря влаги из-за использования её растениями, растущими в междурядьях плодовых насаждений.

Снижение уплотнения почвы достигается посредством рыхления на глубину 0,3-0,7 м с созданием определённой структуры. В структурной почве благодаря высокой водопроницаемости отсутствуют поверхностный сток, следовательно, и водная эрозия.

В настоящее время для глубокой обработки применяются в основном машины с пассивными рабочими органами рыхлящего типа.

Однако структура почвы, получаемая при обработке данными рабочими органами, требует дополнительных операций по заравниванию образованных неровностей. Так же почти все почвообрабатывающие машины пассивного действия имеют общий недостаток – они работают в тяговом режиме, следовательно, создают значительное тяговое сопротивление.

Избежать данных недостатков позволит применение почвообрабатывающих машин с активными ротационными рабочими органами.

В связи с этим задача, заключающаяся в снижении уплотнения почвы для повышения накопления влаги в залуженном саду за счёт обработки почвы в местах прохода техники, с созданием определённой структуры является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 – 2010 г.г. (задание IV.11.03 – Разработать новые ресурсосберегающие, экологически безопасные и экономически обоснованные технологии производства, переработки и хранения продукции садоводства и виноградарства, реально конкурентно способные на потребительском рынке).

Цель работы. Совершенствование технологии ухода за почвой в саду при залужении путём разработки ротационного рабочего органа для разуплотнения и создания необходимой структуры почвы по следу прохода движителей сельскохозяйственных машин в интенсивных садах.

Объект исследований. Технологический процесс разуплотнения почвы в саду с залуженными междурядьями.

Предмет исследований. Закономерность взаимодействия ротационного рабочего органа с почвой при её разуплотнении.

Методика исследований.

Теоретические исследования проводились методами теоретической механики и численного моделирования с использованием ЭВМ. Для проведения экспериментальных исследований были составлены общие и частные методики обоснования оптимальных значений факторов. Полученные данные обрабатывались методом математической статистики при помощи ЭВМ.

Научную новизну составляют:

- закономерности взаимодействия ножей ротационного рабочего органа с обрабатываемой почвой при её разуплотнении;

- зависимость высоты отбрасывания почвы ротационным рабочим органом от его конструктивно - режимных параметров;

- математическая модель процесса обработки почвы с определением оптимальных параметров и режимов работы ротационного рабочего органа для разуплотнения почвы.

Практическая значимость заключается в разработке конструкции и обосновании оптимальных параметров ротационного рабочего органа (патент РФ №76768), позволяющего повысить эффективность содержания почвы в саду с залуженными междурядьями.

На защиту выносится:

- обоснование возможности использования ротационных рабочих органов для глубокой обработки почвы;

- результаты теоретических исследований технологического процесса разуплотнения почвы;

- результаты экспериментальных исследований и рекомендации по выбору рациональных параметров и режимов работы ротационного рабочего органа;

- оценка эффективности использования предлагаемого ротационного рабочего органа.

Реализация результатов исследований. Экспериментальный образец ротационного рабочего органа прошёл производственные испытания в ФГУП уч-хоз. «Комсомолец» г. Мичуринска, Тамбовской области.

Результаты исследований переданы ООО «научно-производственный центр «ТехноСад» для продолжения по ним опытно – конструкторских работ.

Материалы настоящих исследований используются в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции 26 – 28 февраля 2007 г. «Современные проблемы технологии производства, хранения переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции», Мичуринск – наукоград РФ 2007, международной научно–практической конференции 15–16 ноября 2007г. «Перспективные технологии и технические средства в АПК», Мичуринск – наукоград РФ, 2008, международной научно-практической конференции 29-30 января «Инновации в образовании и науке», Москва 2009, международной научно-практической конференции 4 – 5 мая «Инновационно - техническое обеспечение ресурсо - сберегающих технологий АПК», Мичуринск – наукоград РФ, 2009, международной научно практической конференции 13-14 мая 2010г. «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», Мичуринск – наукоград РФ, 2010.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работах, в том числе 2 работы в изданиях рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 115 наименований и приложения. Работа изложена на 148 стр., содержит 53 рисунка, 13 таблиц, 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана её краткая характеристика и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» приведен анализ существующих систем содержания почвы в саду и систем обработки почвы. Установлено, что перспективной является менее энергозатратная система естественного или искусственного задернения (залужения). Однако при этом происходит нарушение водно-воздушного режима из-за воздействия на почву движителей сельскохозяйственных машин, поэтому необходимо проводить обработку почвы в междурядьях сада, в местах прохождения движителей сельскохозяйственных машин с созданием определённой структуры почвы для накопления и сохранения влаги.

Для реализации технологии были проанализированы средства механизации и составлена их классификация. Сделан вывод, что они не отвечают предъявляемым требованиям по качеству обработки почвы, не создают требуемую структуру, и энергоёмки, поэтому необходимо отдать предпочтение активному ротационному рабочему органу способному измельчать почву до необходимой структуры, без дополнительных операций на заравнивание получаемых неровностей.

Исследованиям работы ротационных рабочих органов посвящены работы таких учёных как В.П. Горячкин, В.Н. Вершинин, Ю.А. Ветров, И.М. Гринчук, А.Д. Далин, В.Б Донцов, Ю.В. Константинов, Ю. И. Матяшин, М. Мищак, П.В. Павлов, Г.Н. Синеоков и др.

Исходя из результатов анализа и в соответствии с поставленной целью, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Обосновать конструктивно-технологическую схему ротационного рабочего органа для разуплотнения почвы.

2. Провести теоретические исследования процесса взаимодействия ротационного рабочего органа с обрабатываемой почвой и обосновать его конструктивно-режимные параметры.

3. Провести экспериментальную проверку основных теоретических положений. Выявить зависимость качественных показателей технологического процесса от параметров и режимов работы устройства для нарезания щелей.

4. Провести опытно-производственную проверку ротационного рабочего органа и определить экономическую эффективность его применения.

Во второй главе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы ротационого рабочего органа» приведены конструктивно - технологическая схема ротационного рабочего органа для нарезания щелей в междурядьях многолетних насаждений, теоретический анализ его процесса его работы, обоснование его конструктивно – режимных параметров.

Проведённый обзор работ позволяет сделать вывод, что характер деформации и перемещения почвы под действием ротационного рабочего органа зависит от кривизны поверхности ножа. Поэтому для нарезания водопоглащающих щелей с заполнением их почвой определённой структуры нами предложен рабочий орган (патент РФ № 76768) (рисунок 1), выполненный в виде вырезанного диска, с зубьями, одна режущая кромка которых выполнена по прямой, а другая кромка – по закону, заданной формулой:

у = х2/2р, (1)

где р – параметр параболы.

На кромке, выполненной в виде параболы, закреплены рабочие элементы в виде ножей с режущей кромкой, состоящей из двух частей: одна, что по периферии установлена под углом 1 = 70…650 прямая, длиной 60 мм, другая выполнена криволинейной по всей длине зуба к его криволинейной кромке.

При движении агрегата в междурядье плодовых насаждений ротационные рабочие органы производят нарезание щелей, при

этом происходит отрезание стружки почвы прямой режущей кромкой зуба и режущей кромкой прямой части ножа. Далее двигаясь по второй части ножа, выполненной в виде параболы, стружка измельчается до заданной структуры.

Причём степень измельчения можно менять в зависимости от физико-механических свойств почвы, изменяя параметр параболы – р.

Для того чтобы определить необходимую частоту вращения диска для разрушения расположенной на криволинейной поверхности стружки, рассмотрим схему, представленную на рисунке 2.

Предположим что в месте возможного прогиба пласта почвы (стружки) действуют следующие силы: сила упругости пласта Fх, сила инерции Fи и сила воздействия ножа ротационного рабочего органа при поступательном движении агрегата Fa.

Согласно закону сохранения энергии в механических процессах сумма кинетической и потенциальной энергии тел составляют замкнутую систему, где взаимодействие силы тяготения и силы упругости, остаётся постоянным.

Согласно закону Гука сила упругости определяется из выражения

, (2)

где k – жесткость материала, Н/м;

х – величина прогиба, м.

Тогда

Wх = Wп +Wк+ Wа = 0, (3)

где Wп - потенциальная энергия упруго деформированного материала определяется из выражения

(4)

Wк - кинетическая энергия при вращательном движении ротационного рабочего органа, Дж

, (5)

где J – момент инерции материальной точки относительно оси вращения, Н/м2.

Допустим, что пласт на ноже является однородной пластиной, тогда согласно теореме Штейнера, момент инерции твёрдого тела относительно параллельной оси формируется как

J=Jn + mry2, (6)

где Jn – момент инерции однородной прямоугольной пластины со сторонами h и l, относительно оси, лежащей в её плоскости и проходящей через центр перпендикулярно к стороне l, Н/м2

, (7)

где l –длина стружки, м;

h – толщина стружки, м;

ry – радиус (расстояние от точки О оси вращения диска до центра массы пласта С), м;

m – масса пласта, кг.

После подстановки выражения (7) в выражение (6) получим

(8)

Wа - кинетическая энергия при поступательном движения агрегата, Дж

, (9)

где vn – поступательная скорость агрегата.

Подставив полученные выражения в выражение (3) получим

= 0, (10)

откуда определим

(11)

Таким образом, нами для образования структуры почвы, т.е. разделения стружки на заданные части, определена форма ножа ротационного рабочего органа и скорость его вращения. Но при работе ротационного рабочего органа также необходимо уложить почву в щели, с сохранением полученной структуры. Поэтому необходима установка отражающего кожуха опредёлённой формы и на определённой высоте, не допускающего разрушающего воздействия на получаемые частицы почвы.

Для этого определим траекторию полёта частицы почвы после схода её с ножа ротационного рабочего органа.

Допустим, что при положении ножа в точке В (рисунок 3) частица почвы отбрасывается в направлении касательной к трохоиде, т.е. по направлению абсолютной скорости va, со скоростью ей равной. Тогда уравнения полёта частицы можно записать - в следующем виде

(12)

где R – радиус ротационного рабочего органа, м; – угол положения ножа в момент отрыва частицы, град; – угол между направлением полёта частицы в момент отрыва её от ножа и линией горизонта, град; g –ускорение свободного падения, t – время поворота диска на угол , с.

Для ротационных машин с горизонтальной и фронтальной осью вращения (Матяшин Ю.И.)

(13)

где vо – окружная скорость конца ножа ротационного рабочего органа; – отношение окружной скорости к поступательной = vо / vп, при >1; vп – поступательная скорость агрегата.

После подстановки полученного выражения для va в уравнение (12) и преобразований получим

(14)

Из рисунка 3 видно, что sin и cos в уравнении (12) можно выразить как отношение катетов и гипотенузы из треугольника АВС

(15)

, (16)

Подставив полученные выражения для vп, va, sin и cos в уравнение (12), после соответствующих преобразований, получим

(17)

Выразив t через х и подставив в уравнение для у, после преобразований, получаем траекторию полёта частицы почвы

(18)

Для определения угла положения ножа в момент отрыва частицы от ножа обратимся к схеме, изображенной на рисунке 4.

При вращении ротационного рабочего органа с угловой скоростью частица почвы, попавшая на нож, находится на ней в относительном покое до тех пор, пока все действующие на неё силы будут уравновешены. Пусть в некоторый момент времени нож с частицей находится в положении, когда частица начинает отрываться от ножа, определяемом углом начала отрыва , отсчитываемым от горизонтального диаметра ротационного рабочего органа.

На частицу почвы действуют сила тяжести P = mg, сила трения Fтр=N tg, ( - угол трения), сила нормальной реакции N, сила инерции Fи = m2R. Проецируя все силы на систему координат х у, связанную с ротационным рабочим органом получим

(19)

Выразив N из первого уравнения системы (19)

N = m2R cos y - mg sin( - y), (20)

и подставив его значение во второе уравнение, после преобразования получим

(21)

На основании полученных выражений (18) и (21) проведено численное моделирование процесса полёта частицы почвы. Процесс осуществлён с помощью пакета прикладных программ «MathCad 2000 Professional», в результате чего получены оптимальные значения параметров ротационного рабочего органа: угол установки ножа у = 20 - 220 и окружная скорость конца ножа ротационного рабочего органа vo =4,5 - 4,7 м/с.

Таким образом, основными показателями ротационного рабочего органа, влияющими на процесс измельчения стружки почвы, являются параметр параболы криволинейной поверхности ножа и угол его постановки, форма и параметры установки кожуха относительно ротационного рабочего органа, отношение его окружной скорости к поступательной скорости агрегата.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа, общая и частная методики экспериментальных исследований с описанием применяемого оборудования и условий проведения опытов.

При исследовании влияния конструктивных и режимных параметров ротационного рабочего органа на качественные и энергетические показатели процесса нарезания щелей использовалась экспериментальная установка представленная на рисунке 5. Она состоит из рамы 1, на которой закреплены рабочие секции 2, редуктор конический 3, и стойки опорных колёс 10. На рабочей секции крепится блок со сменными шестернями 5 для изменения частоты вращения рабочего органа. Так же на ней установлен вал с рабочим органом – диском 7, на диске установлены сменные ножи 8. Привод ротационного рабочего органа осуществляется от ВОМ трактора (не показан).