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

1 – рама; 2 – рабочая секция; 3 – редуктор; 4 – карданная передача;

5 – блок сменных шестерён; 6 – цепная передача; 7 – диск рабочего органа;

8 – нож рабочего органа; 9 – кожух - отражатель; 10 – стойка опорного колеса

Рисунок 5 – Экспериментальная установка для исследования ротационного рабочего органа.

Редуктор соединяется с блоком шестерен карданной передачей 4. Рабочий орган соединяется с блоком шестерен цепной передачей 6. Для предохранения привода от поломки установлены предохранительные муфты.

Экспериментальные исследования проводились в условиях учхоза «Комсомолец» на залуженном участке чернозёмно-луговой выщелочной почвы, влажность 18…20 % и твёрдостью 27…30 кг/см2.

Согласно анализу теоретических исследований установлено, что факторами, влияющими на получаемую структуру почвы, являются параметр параболы криволинейной поверхности ножа и угол его установки, а на траекторию полёта частиц почвы угол установки ножа и частота вращения ротационного рабочего органа. Значение данных факторов и уровни их варьирования представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Факторы и уровни их варьирования при исследовании полученной структуры почвы

№ п/п	Уровни варьирования	Факторы
		х1 - параметр параболы ножа р	х2 - угол установки ножа у, град
1	Основной уровень (хi=0)	2,50	25
2	Верхний уровень (хi=+1)	3,0	30
3	Нижний уровень (хi= - 1)	2,00	20
4	Интервал варьирования хi	0,5	5

Таблица 2 – Факторы и уровни их варьирования при исследовании высоты отбрасывания почвы

№ п/п	Уровни варьирования	Факторы
		х1 – частота вращения рабочего органа n, об/мин	х2 - угол установки ножа у, град
1	Основной уровень (хi=0)	150	25
2	Верхний уровень (хi=+1)	200	30
3	Нижний уровень (хi= - 1 )	100	20
4	Интервал варьирования хi	50	5

Для реализации опытов по определению энергоёмкости процесса нарезания щелей использовали методику планирования многофакторных экспериментов, предусматривающую такое сочетание факторов, которое позволяет при минимальном числе опытов выявить их влияние на всём поле.

Значения факторов и уровни их варьирования представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Факторы и уровни их варьирования при исследовании энергоёмкости процесса

№ п/п	Уровни варьирования	Факторы
		х1 - угол установки ножа у, град	х2 – параметр параболы ножа р	х3 - угол наклона режущей кромки ножа , град
1	Основной уровень (хi=0)	25	2,5	15
2	Верхний уровень (хi=+1)	30	3,0	30
3	Нижний уровень (хi=-1)	20	2,0	0
4	Интервал варьирования хi	5	0,5	15

Обработка экспериментальных данных производилась при помощи прикладных программ математической обработки «Office Excel – 2003», «Statistica 6.0».

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты экспериментальных исследований некоторых физико-механических свойств почвы, и оптимизации конструктивных и режимных параметров ротационного рабочего органа.

Результаты исследований влияния конструктивных параметров ротационного рабочего органа на получаемую структуру почвы представлены на рисунке 6.

а) б)

в)

а) у =200; б) у =250; в) у =300

Рисунок 6 – Зависимость содержания фракций почвы от параметра параболы

р и угла установки ножа у.

Анализ зависимостей позволяет сделать вывод, что при уменьшении параметра параболы р, количество частиц почвы необходимой нам фракции размером от 0,25 до 10мм увеличивается. Так при у = 200 и р = 3,5 их было 56,8 %, при р = 3 – 61,8%, а при р =2,5 было получено наибольшее их количество – 65,5%.

Однако при дальнейшем уменьшении радиуса кривизны наблюдался обратный процесс, т.е. количество данной фракции уменьшалось, так при р = 2 их было 58,7%. При увеличении угла наклона ножа у так же происходило уменьшение количества необходимых нам частиц, так при у = 300 их было меньше в среднем на 4,4%.

В результате проведённых исследований влияния конструктивных и кинематических параметров ротационного рабочего органа на высоту отбрасывания частиц почвы было получено уравнение регрессии

Н = 1,62 +1,41n – 0,065n2 +0,16 + 0,0252 – 0,035·n·, (22)

где n – частота вращения рабочего органа, об/мин;

– угол установки ножа, град.

Графическая интерпретация данного выражения изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость высоты отбрасывания частицы почвы от угла установки ножа при различной частоте вращения ротационного рабочего органа п.

На основании проведённого анализа экспериментальных исследований наименьшая высота полёта частиц обеспечивается при частоте вращения рабочего органа п = 100…110 об/мин, и угле установки ножа у = 20 град. Дальнейшее уменьшение частоты вращения не желательно, т.к. это приведёт к снижению производительности машины.

В результате исследования зависимости энергоёмкости процесса нарезания щелей от конструктивных параметров ротационного рабочего органа получено уравнение регрессии второго порядка

N = 7,27 + 1,32 у – 0,17 р – 1,21 – 1,29 р2 + 0,69 у·р, (23)

где у - угол установки ножа, град;

р - параметр параболы кривизны поверхности ножа;

- угол наклона режущей кромки ножа, град

На рисунке 8 представлена графическая интерпретация зависимости затрачиваемой мощности от параметра параболы ножа и угла наклона режущей кромки, при постоянном угле установки ножа у

а) б)

в)

а) у =200; б) у =250; в) у =300

Рисунок 8 – Поверхность отклика изменения затрачиваемой мощности от угла наклона

режущей кромки и параметра параболы кривизны поверхности ножа р

при угле установки ножа у

Проведя анализ данного рисунка можно сделать вывод, что оптимальными значениями факторов, обеспечивающих наименьшие затраты мощности будут: угол установки ножа у = 20 град, параметр параболы кривизны поверхности р = 2,5 и угол наклона режущей кромки = 30 град.

Опытно-производственную проверку ротационного рабочего органа проводили на базе экспериментальной установки (рисунок 5) в саду учхоза «Комсомолец» на залуженном участке в осенний период при температуре окружающего воздуха tв = +20 0С. Почва чернозёмно-луговая выщелочная, влажностью 18 – 20%, твёрдость 27 кг/см2. При обработке почвы структурность составила 85-90 %, при этом скорость движения агрегата должна быть в пределах 3,0 … 3,5км/ч при соотношении относительной и поступательной скорости = 5…6, что подтверждает её работоспособность при качественном выполнении технологического процесса.

В пятой главе «Оценка эффективности использования машины для нарезания щелей с ротационным рабочим органом» представлен расчёт эффективности использования машины для нарезания щелей с ротационным рабочим органом в сравнении с базовым щелевателем почвы и машиной для заравнивания образованных неровностей.

Расчёты показывают, что применение новой машины позволяет выполнять операции нарезания щелей, получение необходимой структуры почвы и укладку её в щель за один проход, в отличии от базового варианта, при котором используются две машины, что позволяет экономить затраты энергии до 50%. Годовой экономический эффект от применения новой машины составляет 107241,7руб., при этом срок окупаемости средств новой технологии составит 3,1 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих систем содержания почвы в саду показал, что менее энергозатратной является система естественного или искусственного задернения (залужения) почвы, однако в местах прохождения движителей сельскохозяйственных агрегатов плотность почвы превышает допустимые значения, что отрицательно влияет на накопление и сохранение влаги.

Анализ существующих средств механизации для глубокого рыхления, показал, что они не создают необходимой структуры почвы, и требуют дополнительной операции по заравниванию полученных неровностей, поэтому предпочтительным является ротационный рабочий орган, способный создавать однородную структуру почвы, без дополнительных операций для заравнивания неровностей.

2. Получены аналитические выражения для обоснования формы рабочей поверхности ножа ротационного рабочего органа, его конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих получение определённой структуры почвы, а так же формы отражающего кожуха и параметров его установки относительно рабочего органа для размещения её в щели.

3. Теоретические исследования предложенной конструкции ротационного рабочего органа, снабжённого ножами с криволинейной измельчающей поверхностью, позволили получить основные закономерности процесса получения необходимой структуры почвы и размещения её в щели, на основании которых определены его основные конструктивные формы и параметры: форма криволинейной поверхности (по параболе); угол установки ножа у = 20…220, окружная скорость конца ножа vо = 4,5…4,7 м/с.

4. При исследовании физико-механических свойств почвы установлено, что жёсткость образца чернозёмноно-луговой выщелочной почвы, взятого на срезе залуженного участка при влажности 18…20% составила в пределах 6667…7500Н/ м, в зависимости от его геометрических параметров и прикладываемого усилия.

5. Экспериментальные исследования подтверждают результаты теоретических выводов и позволили установить оптимальные конструктивно – режимные параметры предложенного ротационного рабочего органа: параметр параболы криволинейной поверхности ножа р =2,5, угол установки ножа:у = 20…220, угол наклона режущей кромки ножа = 30 град, окружная скорость конца ножа v0 = 4,5…4,7 м/с, соотношение окружной скорости конца ножа и поступательной скорости агрегата = 5...6.

6. Производственные испытания опытного образца машины для нарезания щелей в междурядьях сада учхоза «Комсомолец» на залуженном участке подтвердили его работоспособность. При обработке почвы структурность составила 85-90 %, заделка растительных остатков 75 %, при этом скорость движения агрегата должна быть в пределах 3,0 … 3,5 км/ч.

7. Расчёты показывают, что применение новой машины позволяет выполнять операции нарезания щелей, получение необходимой структуры почвы и укладку её в щель за один проход, в отличие от базового варианта, при котором используются две машины, что даёт экономию затрат энергии до 50%. Годовой экономический эффект составляет 107241,7руб., при сроке окупаемости 3,1 г.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Горшенин, В.И. Обоснование формы ротационного рабочего органа для обработки почвы в саду [Текст]/ В.И. Горшенин, А.В. Алёхин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2008. - №1. – с. 37-42.

2. Горшенин, В.И. К обоснованию траектории полёта частицы почвы при сходе с ножа ротационного щелевателя [Текст]/ В.И. Горшенин, А.В. Алёхин // Вестник Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина. – 2009. - №1. – с. 44-46.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

3. Горшенин, В.И. Анализ систем содержания почвы в садах [Текст] / В.И. Горшенин, А.В. Алёхин // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. – 2006. - №2. – с. 181-183.

4. Горшенин, В.И. Анализ средств механизации обработки почвы [Текст] / В.И. Горшенин, А.В. Алёхин // Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной науки: Материалы науч.-практич. конф. (26 - 28 февраля 2007 г.)/ Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во МИчГАУ, 2007. – с.242-244.

5. Алёхин, А.В. Некоторые результаты экспериментальных исследований ротационного рабочего органа для обработки почвы в саду [Текст]/ А.В. Алёхин // Перспективные технологии и технические средства в АПК: Материалы науч.-практич. конф. (15- 16 ноября 2007 г.)/ Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во МИчГАУ, 2008. – с.24-27.

6. Алёхин, А.В. Некоторые физико-механические свойства почвы [Текст] / А.В. Алёхин // Перспективные технологии и технические средства в АПК: Материалы науч.-практич. конф. (15- 16 ноября 2007 г.)/ Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во МИчГАУ, 2008. – с.28-30.

Патенты

7. Пат. 76768 МПК7 А 01В 33/02.Устройство для нарезания щелей в междурядьях многолетних насаждений при залужении [Текст] / Горшенин В.И., Дробышев И.А., Алёхин А.В., заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «МичГАУ» - №2008117884/22; заявл. 04.05.2008; опубл. 10.10.2008 – 2 с.: ил.

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре МичГАУ

Подписано в печать 20.05.10г. Формат 60х84 1/ 16,

Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Ризограф

Заказ № 14895

_______________________________________________________________

Издательско-полиграфический центр

Мичуринского государственного аграрного университета

393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101,

тел. +7 (47545) 5-55-12

E-mail: vvdem@mgau.ru