Моделирование процесса работы агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова

Моделирование процесса работы агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений

Хажметова А.Л., Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М., Фиапшев А.Г.

Аннотация

В статье предлагается решение проблемы ускоренного создания гумусового слоя в приствольных полосах, улучшения водного и пищевого режимов плодовых насаждений на склоновых землях. Проведенный анализ систем содержания почвы в садах показал, что наиболее рациональным является дерново-перегнойная система, предусматривающая скашивание растительности с оставлением ее на поверхности почвы в виде мульчи. Однако существующие технические средства не обеспечивают качественное измельчение растительности, не способны транспортировать измельченную травяную массу в приствольные полосы плодовых деревьев. В связи с этим предложена конструкция агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений, обеспечивающая выполнение указанных процессов. В результате проведенных теоретических исследований установлены рациональные значения основных параметров предлагаемого агрегата.

Ключевые слова: почвы, садоводство, плодородие, урожайность, структура, обработка, комбинированные агрегаты, ротационные рабочие органы

В настоящее время производством плодов на склоновых землях занимаются как крупные корпорации, так и средний и малый бизнес. Одной из проблем, с которыми сталкиваются производители плодов, - это нехватка техники по уходу за междурядьями и приствольными полосами плодовых насаждений. Большинство садоводческих хозяйств располагают, в основном, отечественной техникой для обработки почвы, состоящей из старых, малопроизводительных однооперационных машин, отсутствуют фрезерные агрегаты для приствольной культивации почвы.

В то же время остро стоят вопросы минимизации обработки почвы, ускоренного создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых деревьев, защиты склонов от эрозии и воспроизводства почвенного плодородия.

В связи с изложенным, усовершенствование технологии и разработка новой конструкции агрегата, обеспечивающего выполнение нескольких взаимосвязанных технологических операций для ухода за междурядьями и приствольными полосами плодовых насаждений, сохранение и повышение плодородия почв на склоновых землях являются актуальной задачей в условиях горного и предгорного садоводства Центральной части Северного Кавказа.

С этой целью разработан агрегат для обработки приствольных полос и междурядий плодовых насаждений (рис. 1) [1-9], который состоит из рамы, выполненной из двух продольно расположенных на расстоянии 80 см друг от друга параллельных несущих балок 1, к задней части которых приварена поперечная балка 2 и параллельно ей на расстоянии 80 см перпендикулярно к несущим балкам 1 приварены поперечные балки 3, 4 и 5. Продольные 1 и поперечные 2, 3, 4 и 5 балки изготовлены из металлических труб с квадратным сечением 80х80 мм. Концы поперечных балок 2, 3 и 5 приварены к стоякам 6, которые жестко прикреплены к лыжам 7. Верхние части концов поперечных балок 2, 3, 5 и боковые стороны стояков 6 жестко соединены между собой металлическим кожухом. Между поперечными балками 2, 3 и 5 параллельно несущей балке 1 жестко установлены две пары перемычек 8 и 9, 10 и 11, расположенные на расстоянии 11 см друг от друга. Рама снабжена навесным устройством 12.

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема агрегата для обработки приствольных полос и междурядий плодовых насаждений

Механизм привода рабочих органов - редуктор 13, жестко прикрепленный в передней части рамы между продольными балками 1 и обеспечивающий частоту вращения выходного вала, равную 2100 мин-1. На выходном вале редуктора 13 последовательно установлены ведущий шкив 14 и ведущая звездочка 15, которые посредством клиноременных 16 и цепных 17 передач связаны с ведомыми шкивами 18 привода рабочих органов 19, 20, 21 и ведомой звездочкой 22 привода рыхлителя активного действия, а входной вал 23 редуктора 13 соединен с ВОМ трактора посредством карданного вала. Привод установки снабжен механизмами натяжения ремней 24 и цепи 25. Агрегат включает в себя три секции рабочих органов. Две боковые секции 19 и 20 жестко установлены между перемычками 8 и 9, 10 и 11, соответственно, а центральная секция 21 жестко прикреплена к одной из продольных балок 1. Оси вращения боковых секций 19, 20 смещены в горизонтальной плоскости относительно оси вращения центральной секции 21 на 31 см.

Каждая секция рабочих органов 19, 20 и 21 (рис. 2) выполнена в виде металлического цилиндра 26, внутри которого на подшипниках качения 27 установлен вертикальный вал 28 с возможностью вращения в вертикальной плоскости. В верхней его части жестко прикреплен ведомый шкив 18, а в нижней жестко установлен измельчитель 29 с ножами 30 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости с окружной скоростью 80…95 м/с. Измельчитель 29 изготовлен из металлического полотна длиной 62 см, толщиной 0,08 см, имеющего форму усеченного ромба, по краям которого жестко прикреплены ножи 30.

Рыхлитель активного действия (рис. 3) выполнен в виде вертикального вала 31, в нижней части которого жестко прикреплена фреза 32, выполненная в виде плоского П-образного ножа, а в верхней части жестко установлена ведомая звездочка 22. Вертикальный вал 31 установлен в подшипниковых опорах 33 с возможностью вращения против часовой стрелки с частотой 400 мин-1, причем корпуса подшипниковых опор 33 прикреплены к кронштейну 34, который жестко прикреплен к поперечной балке 3 посредством крепежных деталей 35.

Агрегат работает следующим образом. Заехав в междурядье сада, механизатор постепенно опускает установку на поверхность почвы и включает ВОМ трактора, вследствие чего крутящий момент от ведущей звездочки 14 редуктора 13 через цепную передачу 17 передается на ведомую звездочку 18. Рыхлитель 32, вращаясь с частотой 400 мин-1, заглубляется на заданную глубину рыхления приствольной полосы плодовых деревьев.

Рис. 2. Общий вид рабочего органа измельчителя

Рис. 3. Общий вид рыхлителя активного действия

Включив рабочую передачу трактора, механизатор начинает процесс скашивания травяной растительности в междурядьях сада и рыхления приствольной полосы. Крутящий момент от ведущего шкива 14 редуктора 13 посредством клиноременных передач 16 передается к ведомым шкивам 18 привода рабочих органов 19, 20 и 21, и жестко связанные с ними измельчители 29 с ножами 30, вращаясь в горизонтальной плоскости, скашивают и измельчают травяную растительность в мульчматериал. При вращении измельчителей 29 с ножами 30 создается вентиляционный поток, под действием которого, а также центробежных сил, мульчматериал подается в сторону приствольной полосы и, отражаясь от боковых кожухов, покрывает разрыхленный участок приствольной полосы плодовых деревьев.

Процесс смешивания мульчматериала с почвой начинается со второго цикла и осуществляется аналогично. Перемешивание мульчматериала с почвой осущестляется в разрыхленных приствольных полосах глубиной до 10…15 см и шириной 18 см. Перемешанный с почвой мелкоизмельченный мульчматериал подвергается гумификации ускоренно, поскольку она осуществляется в анаэробных условиях. Кроме этого, разрыхленные участки приствольных полос деревьев лучше впитывают и аккумулируют выпадающие атмосферные осадки, а мульчматериал, покрывая поверхность почвы, угнетает жизнедеятельность сорняков и предохраняет поверхность разрыхленной приствольной полосы от испарения влаги.

Таким образом, осуществляется конвейерно-технологический процесс: с одной стороны, - мульчирование, с другой, - ускоренная гумификация приствольных полос плодовых деревьев, при этом улучшается водный и пищевой режим плодовых деревьев, создаются благоприятные условия для развития микробиологических процессов в почве, повышающие ее плодородие.

Интенсивность деформации и рыхления почвы рабочим органом, в основном, зависит от его геометрической формы и в большей степени определяется видом траектории движения ножей.

Нож рыхлителя, двигаясь прямолинейно и равномерно вместе с агрегатом со скоростью и равномерно вращаясь с угловой скоростью (рис. 4), описывает траекторию в виде циклоиды.

Рис. 4. Схема технологического процесса работы рыхлителя активного действия

Уравнения движения наиболее удаленной от оси вращения рыхлителя точки ножа в параметрической форме имеют вид:

где: - время, с; - радиус ножа, м; - угловая скорость вращения рабочего органа, с-1.

После несложных преобразований из (1) получим:

Подставив значение времени из выражения (3) в уравнение (1) для , получим:

Конкретный вид циклоиды во многом определяется величиной отношения окружной скорости к поступательной скорости машины . Это соотношение получило название кинематического показателя:

где - окружная скорость вращения фрезы вокруг вертикальной оси, м/с.

Как правило, в ротационных почвообрабатывающих машинах , поэтому абсолютная траектория движения их рабочих органов представляет удлиненную циклоиду (рис. 5).

Рис. 5. Схема к определению кинематических показателей фрезерного рабочего органа

Для определения скорости резания и абсолютной скорости движения рабочего органа продифференцируем уравнения (1) по времени и получим проекции скорости ножа на координатные оси:

Тогда величина абсолютной скорости ножа, с учетом выражения (5), составит:

Анализ выражения (6) показывает, что величина скорости резания и ее направление зависят от угла поворота фрезерного рабочего органа и показателя кинематического режима .

Окружная скорость может быть рассчитана по выражению:

где: - предел прочности комков почвы, Па; - момент инерции ротора относительно оси вращения, кг м2; - масса комков почвы, кг; - модуль упругости комков почвы, Па; - коэффициент восстановления комков почвы; - плотность комков почвы, кг/м3.

Расчеты, проведенные по выражению (7), показали, что для обеспечения качественного рыхления почвы окружная скорость рыхлителя должна быть не менее 4,77 м/с, частота его вращения - 387 об./мин.

Одним из основных параметров ротационных рабочих органов, определяющих качество крошения почвы и энергоемкость ее обработки, является подача на нож. Ее можно определить по выражению:

где - количество ножей, шт.

Из анализа выражения (8) следует, что подача на нож зависит от радиуса ротора, числа ножей на нем и кинематического режима его работы.

Угол установки ножа может быть рассчитан по выражению:

где - ширина ножа, м.

При =2 шт., =2,96, =0,04 м, =0,1175 м по выражению (9) получим, что =600.

При работе измельчителя дальность полета мульчитравяной растительности будет зависеть от начальной скорости полета, определяемой скоростью воздушного потока, высоты расположения ротационного диска над почвой и силы сопротивления воздуха.

Величина сопротивления воздуха рассчитывается по выражению:

где: - коэффициент сопротивления; - удельный вес воздуха; - миделево сечение; - скорость частицы мульчитравяной растительности; - коэффициент парусности.

Из дифференциальных уравнений полета семян можно записать (рис. 6):

Рис. 6. Схема для расчета дальности полета мульчитравяной растительности

Так как то можно записать:

или

Решая данное уравнение, получим:

Постоянную интегрирования С найдем из начальных условий: при . Тогда:

Далее:

Произведя интегрирование, получим:

Для определения величины воспользуемся дифференциальным уравнением Для упрощения задачи, вследствие малой скорости частицы вдоль оси y, можно пренебречь сопротивлением воздуха.

Тогда:

откуда:

где - высота расположения диска над почвой, м.

одставляя найденное значение времени в уравнение пути, получим:

Данное уравнение позволяет определить максимальную дальность полета мульчитравяной растительности при заданном значении или при заданном и необходимую начальную скорость полета.

Таким образом, в результате моделирования процесса работы агрегата для обработки междурядий и приствольных полос плодовых насаждений установлены рациональные конструктивно-технологические параметры фрезерного рабочего органа, обеспечивающие максимальную степень крошения почвы (скорость передвижения - 1,5…2,0 км/ч; угловая скорость вращения фрезы - 35…45 с-1; угол установки ножей - 60…65 0), и измельчителя, обеспечивающие максимальную равномерность распределения мульчирующего слоя на поверхности почвы (скорость передвижения - 1,5…2,0 км/ч; угловая скорость вращения ротора - 195…205 с-1; высота планки на роторе - 40…45 мм).

плодовый насаждение гумусовый земля

Список использованных источников

1. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М., Кудаев Р.Х., Хажметова А.Л. и др. Научно-методические рекомендации по разработке мероприятий, обеспечивающих повышение плодородия почв в условиях склоновых эродированных черноземных почв Юга России. - Нальчик: КБГАУ. - 2017. - 116 с.

2. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М., Кудаев Р.Х., Хажметова А.Л. и др. Инновационные технологические и технические решения по повышению плодородия почв в условиях склоновых эродированных черноземных почв Юга России. - Нальчик: КБГАУ. - 2018. - 264 с.

3. Пат. 178374 Российская Федерация, МПК7 А02D34/84, А02В39/16. Установка для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений на террасах и галечниковых землях / А.К. Апажев, В.Н. Бербеков, Ю.А. Шекихачев, Л.М. Хажметов, А.Л. Хажметова, И.О. Темиржанов, Х.И. Кучмезов / Заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарский гос. агр. унив.- №2017138883,; заявл. 08.11.17; опубл. 02.04.18, Бюл. № 10. - 8 с. : ил.

4. Хажметова А.Л., Шекихачев Ю.А. Инновационная биотехнология и техническое средство для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений / Материалы VII Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные инновационные проекты молодых ученых. - Нальчик. - 2017. - С. 155-159.

5. Хажметова А.Л. Инновационная технология и техническое средство для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений на склоновых и галечниковых землях / Тр. Всероссийского совета молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных учреждений «Актуальные проблемы и развития АПК». - М.: ФГБНУ «Росинформагротех». - 2018. - С. 114-119.

6. Хажметова А.Л., Шекихачев Ю.А. Установка для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений в садах на террасах / В сборнике: Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического развития АПК и сельских территорий. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию окончания Сталинградской битвы. - 2018. - С. 278-282.

7. Шекихачев Ю.А., Полищук Е.А., Хажметова А.Л. Установка для обработки приствольных полос / Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: Сборник научных статей по материалам XIII Международной научно-практической конференции в рамках XIX Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2017» (5-7 апреля 2017 г.). - Ставрополь: АГРУС. - 2017. - С. 79-82.

8. Шекихачев Ю.А., Сасиков А.С., Хажметова А.Л. К вопросу создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений / Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции «Научные исследования XXI века: теория и практика». - Прага: Vydavatel «Osvнcenн». - 2018. - С. 143-146.

9. Шекихачев Ю.А., Хажметова А.Л., Шекихачев А.А. Обоснование конструктивно-технологической схемы технического средства для создания гумусового слоя в приствольных полосах плодовых насаждений / В сборнике: Инженерное обеспечение инновационного развития агропромышленного комплекса России. Сборник научных трудов VII Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения Х.Г. Урусмамбетова. - 2018. - С. 249-251.

Размещено на Allbest.ru