Ресурсосберегающие технологии и комплекс машин для ухода за почвой в интенсивных садах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Ресурсосберегающие технологии и комплекс машин для ухода за почвой в интенсивных садах

Специальность 05.20.01 - Технологии и

средства механизации сельского хозяйства

Манаенков Константин Алексеевич

Мичуринск - наукоград РФ, 2010



Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»

Научный консультант - академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Завражнов Анатолий Иванович.

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор Утков Юрий Андреевич,

доктор технических наук, профессор Четвертаков Анатолий Васильевич,

доктор технических наук, профессор Кротов Анатолий Михайлович.

Ведущая организация - Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии»

Защита диссертации состоится _2010 г. в ⁰⁰_часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101, корп. 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан « » 2010 г. и размещен на сайте ВАК: www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Садоводство является важнейшей отраслью сельского хозяйства, которая обеспечивает население плодами и ягодами - одним из основных источников витаминов, минеральных веществ и биологически активных соединений, крайне необходимых для нормального функционирования человеческого организма.

Тенденция развития садоводства показывает, что в настоящее время осуществляется переход от экстенсивных сильнорослых насаждений к интенсивным насаждениям на слаборослых клоновых подвоях. Они раньше вступают в плодоношение, имеют малогабаритную крону, удобную для ухода и сбора урожая, формируют высококачественные плоды и в 1,5-2 раза повышают эффективность производства. В зарубежной практике садоводство полностью переведено на слаборослые насаждения. В России они занимают менее 20% площади садов.

Одной из причин создавшегося положения является отсутствие современных средств механизации для выполнения технологических операций в слаборослых садах, особенно при уходе за почвой. Использование разработанных ранее орудий в таких садах является малоэффективным. Поверхностное залегание корневой системы, узкие междурядья, небольшое расстояние между деревьями в ряду, малая величина для свободного прохода машинно-тракторных агрегатов создают дополнительные сложности, особенно при обработке приствольных полос. Исключить эти операции из уходных работ невозможно, так как засоренность приствольных полос в таких насаждениях снижает урожайность на 20-25% (по отдельным сортам до 50%) и приводит к потерям во время уборки. Поэтому проблема повышения эффективности ухода за почвой в интенсивных садах на слаборослых подвоях путем совершенствования технологий и технических средств является актуальной.

Работа выполнена в рамках следующих планов, договоров и программ:

- Плана научно-исследовательских работ Мичуринской государственной сельскохозяйственной академии (рег. № 01.9.20 006573) и договора с МСХ РФ на тему «Разработать машину для обработки межствольных полос», 1994-1997 гг.;

- Плана НИР ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» по теме «Разработать рациональные технологии производства и использования с.-х. сырья», входящей в число основных направлений научно-технической и инновационной деятельности, являющихся приоритетными для города Мичуринска - наукограда Российской Федерации, 2000-2005 гг.;

- Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. (задание IV.11.03 - Разработать новые ресурсосберегающие, экологически безопасные и экономически обоснованные технологии производства, переработки и хранения продукции садоводства и виноградарства, реально конкурентоспособные на потребительском рынке);

- Государственных контрактов с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 4894р/7172 от 27.03.2007 «Разработка машины для обработки приствольных полос в интенсивных садах» (рег. № 01.2.007 05561), № 6221р/7172 от 30.09.2008 «Разработка косилки для мульчирования приствольных полос в садах» (рег. № 01.2.009 00639) на выполнение НИОКР по проекту № 7172 (заявка № 07-1-Н5.7-0027) «Разработка и производство комплекса машин для ресурсосберегающего ухода за почвой в интенсивных садах», с 2007 года по настоящее время.

Цель работы - повышение эффективности ухода за почвой в интенсивных садах путем совершенствования технологий и технических средств.

Объекты исследований - технологические процессы, машины для ухода за почвой в садах и их рабочие органы.

Предмет исследований - закономерности функционирования рабочих органов машин при уходе за почвой в садах.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления и численного моделирования процессов работы машин. В экспериментальных исследованиях нашли применение дисперсионный анализ и теория планирования эксперимента. Обработка результатов осуществлялась методами регрессионного анализа. Использовались серийные и специально изготовленные приборы, аппаратура и стенды. Эффективность разработок оценивалась методом энергетического анализа технологических процессов.

Научная новизна работы:

- Исследованы условия работы технических средств в садах на слаборослых подвоях. Обоснован способ обработки почвы (патент РФ № 2137328), позволяющий использовать в междурядьях орудия общего назначения.

- Предложены математическая модель и методика расчета параметров и режимов работы поворотной фрезерной секции с обходом штамбов от реакции с почвой. Разработана конструктивно-технологическая схема машины для обработки приствольных полос (патенты РФ № 2075269, № 2081531, № 2132599, № 2137327, № 2272388, № 2350065, № 2335109, № 2326516).

- Определены теоретические зависимости качества химической обработки приствольных полос от конструктивных параметров гербицидной штанги. Предложены методика оценки и способ снижения неравномерности излива растворов гербицидов по ширине обрабатываемой полосы. Разработана конструктивно-технологическая схема гербицидной штанги, исключающая огрехи в приштамбовой зоне (патенты РФ № 2218763, № 2282990, № 2350065).

- Установлены закономерности работы ротационного режущего аппарата, обеспечивающего перемещение скашиваемой массы в направлении ряда. Обоснованы оптимальные параметры и режимы его работы. Предложена конструктивно-технологическая схема косилки для мульчирования приствольных полос травой, скашиваемой в залуженных междурядьях интенсивных садов (патенты РФ № 2265984, № 80092).

Практическую значимость имеют:

- технологические приемы, обеспечивающие повышение урожайности и снижение энергозатрат на содержание почвы в интенсивных садах;

- рекомендации по использованию для обработки междурядий в слаборослых садах машин общего назначения;

- комплекс специальных машин для механической и химической обработок приствольных полос и мульчирования приштамбовой зоны;

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований послужили основой для разработки рекомендаций «Обработка межствольных полос в садах поворотной секцией с вертикально-роторными рабочими органами», которые одобрены НТС МСХ РФ, приняты отделом механизации ГНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Россельхозакадемии», инженерным центром ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии» для продолжения по ним опытно-конструкторских работ с последующим изготовлением машин.

Техническая документация на машину для обработки приствольных полос в садах использована при освоении ее производства в АО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов).

В 2007 году для реализации разработанных технологических и технических решений создано Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственный центр «ТехноСад»», которым в рамках государственных контрактов с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере начато производство техники по заявкам потребителей. гербицидный штанга ротационный почва

По материалам исследований издана работа «Энергосберегающая технология и комплекс машин для обработки почвы в интенсивных слаборослых садах», допущенная Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по агроинженерным специальностям.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях: Мичуринской ГСХА (1994, 19961998 гг.), Тамбовского ГУ (1995 г.), Воронежского ГАУ (1995 г.), Санкт-Петербургского ГАУ (1995 г.), Саратовского ГАУ (1997, 2005 гг.), ВСТИСП (Москва, 1998, 2003 гг.), ВИМ (Москва, 2001 г.), СКЗНИИСиВ (Краснодар, 2002 г.), ВИИТиН (Тамбов, 2005 г.), Челябинского ГАУ (2006 г.), ВНИИС им. И.В. Мичурина (Мичуринск, 2006 г.), Мичуринского ГАУ (2000, 20032009 гг.).

Энергосберегающая технология обработки почвы в интенсивных садах была представлена на ВВЦ (Москва, 2001 г.). Образцы разработанных машин демонстрировались на Всероссийских семинарах-совещаниях по садоводству (Мичуринск, 1995, 2005 гг.), выездном заседании НТС МСХ РФ (1996 г.), всероссийских выставках «День садовода» (Мичуринск, 2006-2009 гг.), где были отмечены золотыми медалями ВВЦ (2008 г. - машина для обработки приствольных полос и косилка для их мульчирования, 2009 г. - гербицидная штанга).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 12 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 14 - в описаниях к патентам на изобретения, 1 - в качестве учебного пособия.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (212 наименований, из них 25 на иностранных языках) и приложений. Работа изложена на 315 страницах, содержит 118 рисунков, 38 таблиц, 29 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена краткая характеристика рассматриваемой проблемы, обоснована актуальность исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УХОДА ЗА ПОЧВОЙ В САДАХ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ» рассмотрены направления интенсификации промышленных плодовых насаждений, способы содержания почвы в садах, проанализированы технологии и технические средства ухода за почвой.

Рисунок 1 -Элементы междурядий в промышленных садах



Тенденция развития садоводства (рисунок 1) показывает, что его интенсификация осуществляется в направлении перехода от сильнорослых насаждений к насаждениям на слаборослых клоновых подвоях. По имеющимся рекомендациям, в современных социально-экономических условиях России на территории плодоводческих хозяйств целесообразно иметь до 85 % полуинтенсивных и до 15 % - интенсивых садов на слаборослых подвоях. Сегодня основную часть ( 80 %) составляют экстенсивные насаждения. Одной из причин такого положения является отсутствие современных средств механизации для ухода за слаборослыми насаждениями.

Механизации ухода за растениями, а также систематизации машин для садоводства посвящены работы Беренштейна И.Б., Бруттера И.М., Бычкова В.В., Варламова Г.П., Гордеева А.С., Горшенина В.И., Демидко М.Е., Зельцера В.Я., Кротова А.М., Лукашевича П.А., Манаенкова А.Н., Синеокова Г.Н., Турбина Б.И., Уткова Ю.А., Цымбала А.А., Четвертакова А.В. и других авторов. Сложившаяся ситуация показывает, что одной из основных проблем возделывания слаборослых садов остается уход за почвой, обеспечивающий создание благоприятных условий для развития и плодоношения деревьев. Почву в садах содержат под черным паром, залужением междурядий или используют комбинации этих двух технологий.

Существующий комплекс машин, разработанный для сильнорослых насаждений, включает специальные технические средства для обработки приствольных полос, подкронных зон и свободной части междурядий. В экстенсивных садах при механизированном уходе за почвой основным считается вопрос максимального приближения почвообрабатывающих орудий к рядам плодовых деревьев за счет присоединения их с боковым смещением от продольной оси трактора. Междурядья обрабатываются за два прохода, вдоль рядов остаются защитные зоны (приствольные полосы) шириной 0,5 м по каждую сторону.

Использование существующих машин в слаборослых садах является малоэффективным: обработка междурядий за два прохода приводит к перекрытиям до трех метров, а с учетом 3-4-х кратной обработки в течение сезона - к значительным излишним энергозатратам.

В интенсивных садах обязательным является залужение свободной части междурядий для создания технологической основы для передвижения рабочих машин и транспортных агрегатов. Почву в приствольных полосах содержат под черным паром. Поэтому с интенсификацией садоводства проблемным становится вопрос ухода за почвой в рядах насаждений, требующий комплекса специальных технических средств. С целью снижения ресурсозатрат обработку оставшейся части междурядий в случаях, когда это необходимо, целесообразно проводить за один проход агрегата с орудиями общего назначения.

Анализ исследований Герасимова Н.И., Жилицкого Я.З., Мостовского В.Б., Паламарчука Г.Д. и других позволяет заключить, что машины для механической обработки приствольных полос, как правило, имеют устройства принудительного вывода рабочих органов из линии ряда при обходе штамба и принудительного ввода в ряд после его прохода, что усложняет конструкцию и снижает её надежность. Находят применение вертикальные фрезы, размещенные на поворотной секции, осуществляющие обход штамбов деревьев без принудительного механизма вывода их из ряда и ввода в ряд. однако отсутствие данных по оптимальным параметрам, размерным характеристикам, которые особенно важны для слаборослого садоводства, и режимам работы рабочих органов затрудняет конструктивную разработку их и внедрение в производство.

Обзор работ Велецкого И.Н., Геглидзе Г.И., Кулибекова Г.М., Кулиева Г.Ю. и других показывает, что для химической обработки приствольных полос в интенсивных садах используют гербицидные штанги, присоединяемые к серийным опрыскивателям. Разработанные без должного обоснования, они не обеспечивают необходимую равномерность распределения рабочего раствора по ширине обрабатываемой полосы, допускают значительный перерасход дорогостоящих препаратов, повреждают культурные растения.

В залуженных междурядьях траву систематически скашивают косилками-измельчителями. Исследованиями Алиева, Т.Г.-Г., Соломахина А.А., Придорогина М.В. и других установлено, что для улучшения физико-механических свойств почвы и сохранения продуктивной влаги рационально мульчировать приствольные полосы, в том числе травой, скашиваемой в междурядьях. Однако отсутствие технического средства сдерживает применение этой перспективной технологии.

На основании обобщения имеющихся сведений сформулированы направления повышения эффективности технологий ухода за почвой в садах на слаборослых подвоях, которые определили задачи исследований:

- исследовать условия работы технических средств в садах на слаборослых подвоях, обосновать ширину защитных (приствольных) полос при обработке междурядий за один проход и сформировать технологический комплекс машин с орудиями общего назначения;

- выявить оптимальные конструктивно-режимные параметры машины для механической обработки приствольных полос, обеспечивающей обход штамбов деревьев от реакции рабочих органов с почвой;

- установить факторы, обеспечивающие качественное опрыскивание при химическом методе обработки приствольных полос и разработать конструкцию гербицидной штанги, отвечающую современным требованиям;

- обосновать оптимальные конструктивно-режимные параметры косилки для мульчирования приствольных полос травой, скашиваемой в залуженных междурядьях;

- провести производственную проверку и определить эффективность разработанных технологических и технических решений.

Во второй главе «ОБОСНОВАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ, ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ» отражены результаты исследований размерных характеристик слаборослых плодовых деревьев, прямолинейности рядов, отклонений агрегатов от линии ряда в различных условиях работы технических средств в интенсивных садах. Обоснована возможность использования для обработки междурядий орудий общего назначения. Исследованы закономерности функционирования рабочих органов для обработки приствольных полос и их мульчирования.

Определены минимальные значения защитных зон, е, (рисунок 2) при движении с указателем и без указателя, которые составляют е = ±0,40 м и е = ±0,77 м соответственно.

Рисунок 2 - Параметры, определяющие защитную зону ряда растений

Ширина междурядий в различных типах плодовых насаждений и захват большинства почвообрабатывающих машин общего назначения кратны 1 м. На основе системного представления технологического процесса обработки почвы в садах (рисунок 3) установлено, что расширение защитной зоны до 1 м по каждую сторону ряда создает условия для использования серийных машин. Ими могут быть культиваторы КСМ-2, КСН-4, КПС-4, дисковые бороны БДН-3, БДГ-3, БДП-3, БДТ-3 и т.д.

Рисунок 3 - Функционально-структурная схема ресурсосберегающего ухода за почвой в интенсивных садах

Ширина захвата поворотной фрезерной секции В_р (рисунок 4) основного орудия для механической обработки приствольных полос определяется уравнениями следующей системы:

, (1)

где е - ширина защитной зоны, м; вґ - перекрытие линии ряда, м; d_б - диаметр фрезерного барабана, м; k - количество фрезерных барабанов на корпусе, шт.

На основе (1) установлено, что для обработки полосы необходимой ширины, с учетом перекрытия, достаточно разместить на поворотном корпусе четыре барабана диаметром = 0,32 м (рисунок 5).



Рисунок 4 - К обоснованию ширины захвата рабочих органов

Рисунок 5 - Зависимость ширины захвата поворотной секции от количества фрезерных барабанов

Уравнение абсолютного движения точки А_ij, принадлежащей j-му ножу i-того вертикального ротора (рисунок 6) при обходе штамба имеет вид:

(2)



где - расстояние от центра i-того барабана до оси подвеса корпуса, м; - радиус точки i-го барабана, м; Ф - текущий угол поворота корпуса, рад; - исходный угол поворота i-того барабана относительно оси подвеса (угловой сдвиг i-того барабана), рад; - поступательная скорость движения агрегата, м/с; - текущее время, с; - текущий угол поворота j-того ножа на i-том барабане, рад.

Абсолютная скорость движения ножа, она же скорость резания , может быть найдена из уравнений (2) определением ее составляющих как первых производных пути по времени:

, (3)

где - угловая скорость поворота корпуса при обходе штамба, c^-1; - угловая скорость вращения i-того ротора относительно неподвижной системы координат, c^-1.

Реакцию со стороны почвы P_ij на нож вертикального ротора можно представить в виде суммы сопротивлений отрезанию P_резij и отбрасыванию P_отбij стружки:

, (4)

где k_ij - удельное сопротивление (твердость) почвы, H/м²; - плотность почвы, кг/м³; - коэффициент деформации почвы; S_лij - площадь проекции ножа на плоскость, перпендикулярную вектору абсолютной скорости, м². Суммарный момент, действующий на поворотный корпус относительно оси подвеса, определяется по формуле



, (5)

где - проекции реактивной силы на оси неподвижной системы координат, Н.

Дифференциальные уравнения движения корпуса при обходе штамба имеют вид:

, (6)

где - момент инерции корпуса, кгМм²;

Численное моделирование процесса обхода штамбов методом Эйлера с нулевыми начальными условиями позволило получить траекторию движения ножей поворотной секции при обработке почвы в ряду деревьев (рисунок 7). Точка А правой половины корпуса, находящейся в линии ряда, в результате поворота переместится в точку Аґ. При этом левая половина корпуса (точка В) заходит в ряд деревьев, но уже с другой стороны штамба (точка Вґ).

Рисунок 7 - Траектории движения ножей поворотной секции при обработке почвы в ряду деревьев



Рисунок 8 - Зависимость пути, проходимого секцией при обходе штамба е от кинематического показателя фрезы л: () - теоретическая, (---) - экспериментальна

Основным условием работоспособности машины является соответствие пути, проходимого за время поворота секции на 180, размеру защитного приствольного круга по ходу движения еґ = 0,51 м. Это условие (рисунок 8) выполнимо при соотношении окружной и поступательной скоростей рабочих органов .

График изменения мощности, расходуемой на фрезерование почвы по мере продвижения вдоль ряда (рисунок 9), показывает, что при обходе штамба энергоемкость процесса падает. Это объясняется уменьшением ширины захвата рабочих органов.

Рисунок 9 - Зависимость мощности N, расходуемой на фрезерование почвы, от времени



Рисунок 10 - Зависимость площади обработанных зон П от количества ножей на каждом барабане z и ширины захвата ножа b₀

Отслеживание положения ножа в почве, в обработанной или необработанной её части, позволило проанализировать зависимость площади обработанных зон от параметров и режимов работы устройства. Установлено (рисунок 10), что только при установке на каждом барабане четырех ножей с шириной захвата м наблюдается подрезаемость сорняков, соответствующая агротребованиям.

На основании исследований предложена машина для обработки приствольных полос, обеспечивающая рыхление полосы шириной 1 м по каждую сторону ряда деревьев и обход штамбов от реакции рабочих органов с почвой (рисунок 11).

В процессе работы трактор движется посередине междурядья. Одна половина поворотного корпуса 3 машины находится в линии ряда деревьев. При касании щупа 14 штамба дерева фиксатор 12 освобождает упор 11. Под действием реактивного момента, направленного противоположно вращению фрезбарабанов, корпус проворачивается и обходит дерево.



1 - рама; 2 - параллелограммный механизм с навесным устройством; 3 - поворотный корпус; 4 - фрезерный барабан; 5,6 - карданная передача; 7,8 - конический редуктор; 9 - ременная передача; 10 - зубчатая передача; 11 - упор; 12 - фиксатор; 13 - опорное колесо; 14 - щуп

Рисунок 11 - Схема машины для обработки почвы в ряду деревьев: а - вид сзади, б - вид сверху

При химическом способе борьбы с сорняками в рядах многолетних насаждений наибольшее распространение получили гербицидные штанги с отклоняющимися секциями. Исследованию распределения раствора гербицида у штамба и по ширине обрабатываемой полосы такими устройствами посвящены следующие теоретические выкладки главы.

Схема обхода отклоняющейся секцией штамба или опоры прямоугольного сечения показана на рисунке 12. Штанга 1 движется вдоль ряда со скоростью, равной поступательной скорости машины _м. Ось поворота А секции 2, имеющей длину l, удалена на расстояние а от линии ряда. При встрече с препятствием секция отклоняется, скользит по опоре и затем, после схода с нее, возвращается в исходное положение под действием пружины. Последовательное положение оси поворота в конце каждого этапа обозначено точками А₁, А₂, А₃. В результате возникает огрех в обработке приштамбовой зоны, который состоит из шести участков.

Рисунок 12 - Схема обхода отклоняющейся секцией опорного столба

Рисунок 13 - Площадь огреха при обходе опоры: 1 - полная; 2 - за исключением F₁

На первом участке площадью F₁ происходит повторный излив рабочего раствора. На втором и третьем участках, площадью F₂ и F₃ соответственно, нарушение равномерного вылива происходит из-за поворота отклоняющейся секции штанги от нормального положения. Четвертый F₄ и пятый F₅ участки остаются вне зоны досягаемости штанги. Шестой участок F₆ обрабатывается заниженной дозой раствора из-за быстрого движения секции под действием пружины.

Площадь отдельного участка F_i огреха может быть определена по одному из следующих уравнений:

,

,

, (7)

F₄ = 0,1l²(0,9-k),

,

,

где г_к = arccos(a/l) - конечное положение штанги в момент совпадения ее крайней точки с точкой упора, рад; k =a/l - параметр.

Общая величина огреха F_o равна сумме составляющих его площадей:

. (8)

Уравнения (7) показывают, что площадь огреха при обходе штамба зависит от длины отклоняющейся секции гербицидной штанги и положения ее оси поворота относительно линии ряда. Установлено, что при изменении k от 0,1 до 0,9 площадь огреха в целом (рисунок 13) уменьшается более чем в 2,7 раза.

Определен вылив раствора по площадям огреха:



,

,

, (9)

.

Долевое значение выливов Q_i по участкам, составляющим огрех, в общем выливе Q₀ на всей площади огреха, выраженное в процентах, определяется формулой

. (10)

Рисунок 14 - Вылив рабочего раствора по площадям огреха в абсолютных (а) и относительных (б) величинах 1 - на F₁; 2 - на F₂; 3 - на F₃; 4 - на F₆



На основе расчетов по формулам (9) построены кривые вылива раствора гербицидов по площадям огреха в абсолютных и относительных величинах в зависимости от параметра k = a/l (рисунок 14), показывающие, что вылив рабочего раствора по огреху неравномерен.

Установлено, что наиболее рациональной является обработка приствольных полос сада за два смежных прохода гербицидной штангой с короткими отклоняющимися секциями (), обеспечивающими компенсацию неточностей вождения и посадки деревьев в ряду.

При смежных проходах наблюдается неравномерность излива раствора гербицидов по ширине ленты, особенно на линии ряда. Степень неравномерности е, определенная поэлементно с учётом обозначений рисунка 15 исходя из того, что жидкость в щелевом распылителе истекает равномерно по всему факелу, составляет:

. (11)

Рисунок 15 - Схема для определения степени неравномерности внесения раствора по ширине ленты



Рисунок 16 - Снижение дозы излива жидкости на единицу площади по мере удаления от вертикали факела (в % от первой дозы

Результаты расчёта степени неравномерности распределения рабочего раствора по ширине ленты щелевого распылителя приведены на рисунке 16.

Наложение эпюр двух соседних распылителей с перекрытием до середины смежных эпюр (рисунок 17) показывает, что на участке между распылителями суммарное отложение вещества отклоняется от среднего значения на ±4,2%, ±3,3% и ±1,5%, соответственно, для факелов с углом при вершине 80°, 95° и 110°, то есть с увеличением угла факела распыла качество опрыскивания повышается.

Неравномерность излива рабочего раствора в стыке от двух смежных проходов связана с отклонениями агрегата от прямолинейного движения и, как следствие, изменяющейся величиной перекрытия крайних распылителей.

Абсолютное (фактическое) отклонение нормы препарата от дозы (рисунок 18), в зависимости от величины перекрытия крайних факелов на линии ряда, рассчитанное по формуле

, (12)



где q_max - максимальное отклонение количества внесенного раствора; q_min - минимальное отклонение количества внесенного раствора; q_ср - среднеарифметическое значение (доза) количества внесенного раствора, достигает 97% при касании факелов и 78% - при полном их перекрытии.

Рисунок 17 - Совмещенные эпюры и суммарный излив жидкости из распылителей с перекрытием на величину шага расстановки (угол факела распыла 110є

Рисунок 18 - Отклонение нормы препарата от вносимой дозы при различном перекрытии факелов распыла

Решение проблемы неравномерности вылива рабочего раствора при обходе штамбов отклоняющимися секциями гербицидных штанг возможно за счет автоматического удерживания распыляющих наконечников на заранее заданном удалении от линии ряда. С этой целью предложено устройство для внесения гербицидов в приствольную полосу сада (рисунок 19).

1 - рама; 2, 3 - упоры; 4, 5 - параллелограммные механизмы; 6, 7 - продольные звенья; 8 - пружина; 9 боковые штанги; 10 - распылители; 11 - фиксатор; 12 - тройник; 13 - шланг; 14 - магистраль; 15 - копиры; 16 - эластичный фартук; 17 - гидроцилиндр; 18 - шток; 19 - кулиса; 20 - палец; 21 - штамб дерева

Рисунок 19 - Схема устройства для внесения гербицидов в приствольные полосы сада: а - вид сверху, б - вид сзади

Работает устройство следующим образом. Перед началом работы боковые штанги фиксаторами 11 устанавливают по ширине междурядья так, чтобы при касании копиров 15 штамбов 21 параллелограммные механизмы 4 и 5 приняли примерно среднее положение. Когда шток 18 гидроцилиндра 17 выдвинут на максимальную величину его хода, копиры 15 пружиной 8 поджаты к штамбам 21 своего ряда и свободно скользят по ним во время движения агрегата. Неточности вождения и отклонения деревьев от линии ряда компенсируются смещением параллелограммных механизмов от среднего положения. Раствор гербицида из магистрали 14 под давлением поступает через тройник 12 и шланг 13 к распылителям 10 боковых штанг 9 и разбрызгивается на почву в виде полосы с одной стороны ряда. Промежутки между стволами в ряду обрабатываются за счет разбрызгивания раствора крайними распылителями. При смежном проходе ряд обрабатывается с другой стороны. Эластичный фартук 16 защищает штамбы от попадания на них гербицидов.

Неравномерность вылива растворов гербицидов по ширине обрабатываемой полосы при смежных проходах (рисунок 20) возникает при прочих равных условиях лишь из-за разницы диаметров штамбов в ряду, среднеквадратическое отклонение которых составляет 1,5…1,7 см, что в 5,1…5,4 раза меньше, чем среднеквадратическое отклонение агрегата от прямолинейного движения.

Рисунок 20 - Схема расстановки распылителей на штанге

Технологический процесс мульчирования приствольных полос травой, скашиваемой в междурядьях ротационным режущим аппаратом с отбивающими пластинами на ножах, состоит из следующих этапов: непосредственный срез стеблей; движение срезанной массы по отбивающей пластине ножа; выброс срезанной массы в сторону от полосы прокоса. Изучению двух последних этапов посвящены исследования главы.



Рисунок 21 - Расчетная схема движения стебля по отбивающей пластине ножа

Рисунок 22 - Зависимость угла схода срезанной массы от угла наклона отбивающих пластин в и угла атаки ножей ц

На частицу, которая перемещается по поверхности пластины, действуют следующие силы (рисунок 21): сила сопротивления воздуха F_В (ветровая нагрузка), действующая в плоскости вращения и направленная перпендикулярно радиусу ротора; центробежная сила инерции F_ц, действующая по радиальному от оси вращения направлению; сила тяжести G, направленная вертикально вниз; реакция опоры N, перпендикулярная пластине; сила трения F_тр, действующая в плоскости пластины и направленная противоположно относительной скорости частицы; сила Кориолиса F_к, перпендикулярная вектору относительной скорости (пластине).

Уравнение движения стебля по пластине в векторной форме имеет вид

, (13)

где m - масса стебля, кг; а - ускорение стебля, м/с²; F_ц - центробежная сила инерции, Н:

, (14)

где: щ - угловая скорость вращения ротора, щ = 104,7 с^-1; r - радиус фланца ротора, r = 0,2 м; х₁ - перемещение частицы по пластине вдоль оси х₁, м; ц₁ - переменный угол между направлением центробежной силы и осью х₁, рад;

F_тр - сила трения стебля об отбивающую пластину, Н:

F_тр= f·N, (15)

где f - коэффициент трения, f = 0,45;

F_В - ветровая нагрузка, Н:

, (16)

где k - коэффициент сопротивления воздуха; г - удельный вес воздуха, Н/м³; g - ускорение свободного падения, g =9,8 м/с²; S - миделево сечение, м²;

F_к - сила Кориолиса, Н:

, (17)

где _отн - относительная скорость движения частицы по отбивающей пластине, м/с:

, (18)

где _x1, _y1 - проекции относительной скорости на оси координат, м/с;

G - сила тяжести, Н:

G = mg; (19)

N - сила реакции опоры, Н.

Обозначив через д угол схода срезанной массы с отбивающей пластины и учитывая, что = 2,5 - коэффициент парусности, и , с учетом составляющих формулы (13) получим систему дифференциальных уравнений движения стебля по пластине в координатах х₁, у₁:

(20)

Численное моделирование процесса движения стебля по отбивающей пластине показало (рисунок 22), что угол схода срезанной массы увеличивается с ростом угла наклона отбивающей пластины в и уменьшается с увеличением угла атаки ножей ц. Оптимальные значения углов в и ц могут быть определены по кривым рисунка 22 при условии максимальной дальности полета тела, брошенного под углом 45° к горизонту.

В горизонтальной плоскости скошенная масса сходит с отбивающей пластины по направлению проекции на нее абсолютной скорости:

, (21)

где - окружная скорость резания, м/с: .

Для гарантированного перемещения травы в приствольную полосу необходимо исключить зоны, в которых происходит отбрасывание скошенной массы вдоль направления движения агрегата. Установлено, что этого можно добиться перекрытием роторов на некоторую величину s за счет поворота режущего бруса на угол ш, определяемый из условия

, (22)

где R₁, R₂ - радиусы соседних роторов.

После схода с лопасти стебель движется как тело, брошенное под углом к горизонту с начальной скоростью

₀ = . (23)

Рисунок 23 - Траектория движения частицы после схода с лопасти

Рисунок 24 - Изменение дальности отбрасывания х скошенной массы в зависимости от начальной скорости ₀ при k_п = 2 и д = 45

Закон движения частицы (рисунок 23) на этом этапе в развернутом виде представлен уравнениями



, (24)

. (25)

Отсюда максимальная дальность полета скошенной массы определяется выражением

. (26)

Анализ выражения (26) показывает, что существенное влияние на дальность полета скошенной массы оказывают скорость схода ее с отбивающей пластины (рисунок 24) и коэффициент парусности (рисунок 25). Установлено, что увеличение скорости схода после какой-то величины практически не приводит к росту дальности отбрасывания травы. Фактически при длине стеблей в междурядьях перед скашиванием 100-300 мм дальность отбрасывания трав семейства мятликовых (злаковых), бобовых или их травосмесей, обладающих разными коэффициентами парусности, находится в пределах 0,5-1,5 м (рисунок 26). Поэтому увеличение ширины захвата косилки более 1,5 м нецелесообразно в виду того, что дальний ротор не будет добрасывать траву до приствольной полосы.

Установлено, что при частоте вращения роторов щ = 104,7 с^-1 для перемещения скошенной массы в приствольную полосу ножи, установленные под углом ц = 30-38° к радиусу, должны быть оснащены отбивающими пластинами размером 50Ч50 мм, смонтированными под углом в = 60-65° к плоскости вращения.

По результатам исследований предложена схема устройства для скашивания травы в интенсивных садах с одновременным перемещением ее в приствольные полосы (рисунок 27).

Рисунок 25 - Изменение дальности вылета х скошенной массы в зависимости от коэффициента парусности k_п при д = 45° и ₀ = 18 м/

Рисунок 26 - Изменение дальности вылета х скошенной массы трав семейств мят-ликовых и бобовых в зависимости от высоты травостоя h при д = 45° и ₀ = 18 м/с

Установлено, что при частоте вращения роторов щ = 104,7 с^-1 для перемещения скошенной массы в приствольную полосу ножи, установленные под углом ц = 30-38° к радиусу, должны быть оснащены отбивающими пластинами размером 50Ч50 мм, смонтированными под углом в = 60-65° к плоскости вращения.

По результатам исследований предложена схема устройства для скашивания травы в интенсивных садах с одновременным перемещением ее в приствольные полосы (рисунок 27).

1 - рама; 2 - навеска; 3, 4 - секции роторов; 5, 6 - ножи с отбивающими пластинами; 7, 8 - приводы; 9, 10 - винтовые механизмы; 11, 12 - опорные колеса

Рисунок 27 - Косилка для мульчирования приствольных полос:

Косилку навешивают на трактор, устанавливают с помощью опорных колес 11, 12 высоту среза, а винтовыми механизмами 9, 10 выставляют ширину захвата в соответствии с залуженной частью междурядий сада. При движении агрегата трава скашивается ножами вращающихся роторов и отбрасывается в ряд деревьев. Причем роторы секции 3 отбрасывают скошенную траву в правый ряд, а роторы секции 4 - в левый ряд по ходу движения агрегата.

В третьей главе «ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» приведены характеристики объектов исследований, условий проведения опытов, используемых приборов и аппаратуры. Изложены основные этапы экспериментальных исследований, обоснованы состав факторов и диапазоны их варьирования. Методикой предусматривалось проведение лабораторно-полевых опытов и производственных испытаний образцов машин и рабочих органов к ним.

Были изготовлены экспериментальные образцы машин для механической и химической обработок почвы в приствольной полосе и косилки для мульчирования приштамбовой зоны (рисунок 28). Основные параметры этих образцов выбраны с учетом результатов, полученных в ранее проведенных исследованиях. Кроме того, для проведения первых этапов экспериментальных исследований были изготовлены лабораторный режущий аппарат роторного типа с отбивающими пластинами на ножах и стенд для пролива распылителей гербицидной штанги (рисунок 29).

В качестве метода анализа изучаемых технологических процессов была принята математическая теория планирования эксперимента

После определения оптимальных параметров и режимов рабочих органов программа предусматривала проверку работоспособности машин в производственных условиях.

В четвертой главе «РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» отражены результаты экспериментальных исследований процессов механической и химической обработок приствольных полос и их мульчирования.

Установлено, что фактическая зависимость величины приствольного круга вдоль линии ряда от кинематического показателя поворотной фрезерной секции практически совпадает с теоретической (см. рисунок 8). Некоторая разница в результатах может быть объяснена тем, что при аналитических исследованиях направление силы реакции ножа было принято противоположно вектору его абсолютной скорости. В действительности из-за наличия трения эта сила несколько отклонена от принятого направления. Кроме того, в экспериментальных исследованиях защитная зона у штамба, определялась по характерному следу разрыхленной почвы. Так как у L-образных наружнозагнутых ножей разброс почвы в основном производится стойкой, то фактический размер приствольного круга меньше измеренного. В целом суммарная ошибка не превышает каждую из отдельно взятых.

Рисунок 28 - Экспериментальные образцы машин и их рабочих органов: а - для механической обработки почвы в ряду деревьев; б - косилки; в -режущего аппарата; г - гербицидной штанги



1 - стол с гофрированной поверхностью; 2 - ручной опрыскиватель; 3 - кронштейн; 4 - распылитель; 5 - приемные стаканчики; 6 - лоток; 7 - емкость; 8 - отвес; 9 - угломер

Рисунок 29 - Схема стенда для исследования распылителей:

Зависимость коэффициента вариации защитного расстояния V (%) от числа ножей z и фазового сдвига между роторами (град.) адекватно описывается неполной кубической моделью:

,

графическая интерпретация которой приведена на рисунке 30. Установлено, что при количестве ножей на каждом роторе z = 4 и фазовом сдвиге между ними = 22,5⁰ коэффициент вариации величины приствольного круга не превышает значение V = 5,2%. Для получения необходимой траектории движения при обходе дерева следует придерживаться л = 4,8.

По результатам экспериментального исследования подрезаемости сорняков П (%) в зависимости от числа ножей z на каждом роторе и их ширины захвата b_o (м) (при кинематическом показателе , фазовом сдвиге ) была получена адекватная математическая модель:



(28)

Некоторое отличие экспериментальных данных (рисунок 31) от приведенных на рисунке 11 объясняется тем, что на практике вследствие распространения деформаций в почве и того, что сорняки представляют собой не точку на плоскости, а растение с разветвленной корневой системой и надземной частью, наличие некоторых необработанных зон не сказывается на качестве обработки. Практически полная подрезаемость наблюдается при установке четырех ножей на каждом барабане с шириной захвата b_o0,05 м.

По полученным в результате полевых опытов величинам крутящего момента М_кр и M_крmin разности ординат и поперечного профиля разрыхленной полосы, при поступательном движении секции и при обходе штамба, соответственно, в зависимости от угла установки ножей на фланце (град), ширины захвата ножа b_o (м) и скорости резания _рез (м/с), рассчитывались коэффициенты регрессии моделей:

Рисунок 30 - Зависимость коэффициента вариации V от количества ножей на барабане z и фазового сдвига между роторами



Рисунок 31 - Зависимость подрезаемости сорняков П от количества ножей на барабане z и ширины захвата ножа b₀ при z = const

, (29)

, (30)

, (31)

, (32)

. (33)

Анализ представленных на рисунке 32 совмещенных графических зависимостей М_кр и М_{кр min} от и _р показывает, что минимальное значение крутящего момента при поступательном движении секции во всем интервале изменения скоростей наблюдается при угле установки ножей на фланцах = 30є, а при обходе штамба - находится на границе области определения фактора и соответствует = 45є, то есть подлежит решению компромиссная задача. С этой целью предложено выбирать угол установки с точки зрения минимума перепада нагрузки (формула (31)), так как известно, что ее неравномерность снижает эффективную мощность двигателя трактора. Из рисунка 33 видно, что минимум приходится на значение ? 30є. Следовательно, с точки зрения энергоемкости процесса оптимальным следует считать угол установки ножей на фланцах вертикальных фрез = 30є.

Анализ уравнений (32) и (33) показал, что наилучшие показатели выровненности микрорельефа обработанной полосы достигаются при ширине захвата ножа b₀ = 0,07 м. При угле = 30є, оптимальном с точки зрения энергоемкости, разброс почвы практически не отличается от минимально возможного.

Рисунок 32 - Зависимость крутящего момента, кгм, при поступательном движении секции M_кр() и при обходе штамба M_{кр min}(- - -) от угла установки ножей на фланце ₀ и скорости резания _р

Пролив щелевых распылителей РЩ 110 четырех типоразмеров подтвердил принятое ранее для теоретических исследований предположение о равномерности вылива раствора гербицидов по ширине факела.



Рисунок 33 - Зависимость относительного перепада нагрузки на приводе рабочих органов M от угла установки ножей на фланце ₀

На рисунке 34 изображена гистограмма пролива распылителя РЩ 110-2,5, наглядно отражающая характер распределения рабочей жидкости по лоткам улавливателя. Там же приведена теоретическая кривая распределения раствора, рассчитанная с учетом параметров исследуемого распылителя. Анализ полученных результатов показывает практически абсолютную сходимость экспериментальных данных с теоретическими расчётами.

Рисунок 34 - Гистограмма пролива распылителя РЩ 110-2,5 и теоретическая кривая распределения жидкости по ширине факела с параметрами: б = 100є, а = 763мм, h = 320мм



Исследования ротационного режущего аппарата позволили получить модели дальности полета скошенной травы и равномерности ее распределения в стороне от полосы прокоса:

, (34)

, (35)

где h - высота стеблей, мм; в - угол наклона отбивающих пластин, рад.; ц - угол атаки ножей, град.; s - поперечный сдвиг оси ротора, мм;

Рисунок 35 - Зависимость дальности вылета скошенной массы L от угла наклона отбивающих пластин в при различных значениях длины срезанных стеблей h

Установлено (рисунок 35), что увеличение высоты стеблей приводит к уменьшению дальности вылета скошенной массы, а полученный результат согласуется с проведенными ранее теоретическими исследованиями, так как высота стеблей (миделево сечение) прямо пропорциональна коэффициенту парусности. Для обеспечения наибольшей дальности вылета скошенной массы следует считать оптимальным угол наклона отбивающих пластин .

Рисунок 36 - Зависимость коэффициента распределения k_р скошенной массы от угла атаки ножей ротора ц (град.) и поперечного смещения оси ротора s (мм)

Выявлено, что наиболее равномерное распределение скошенной травы (рисунок 36) происходит при значениях угла установки ножей с отбивающими пластинами ц = 33,7^о и поперечного смещения оси ротора s = 39,87 мм, соответствующем углу поворота режущего бруса ш 30°.

Производственная проверка опытных образцов машин (рисунок 37) проводилась в полуинтенсивном саду учхоза «Комсомолец» Мичуринского госагроуниверситета и в интенсивном саду ВНИИ садоводства им. И.В. Мичурина. При испытаниях установлено:

- использование поворотной фрезерной секции обеспечивает необходимую ширину защитной полосы в 1 м с каждой стороны ряда, а качественные показатели ее работы удовлетворяют агротехнических требованиям;

- повышение равномерности внесения растворов в приштамбовую зону новым устройством позволяет снизить их расход на 15% по сравнению с существующими конструкциями гербицидных штанг;

- при полноте скашивания не менее 95 % разработанная косилка обеспечивает использование мульчи в объеме не менее 85%.

Рисунок 37 - Комплекс машин для обработки приштамбовой зоны: а - гербицидная штанга; б - машина для механической обработки приствольных полос; в - косилка для мульчирования приствольных полос

В пятой главе «ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ» представлены расчеты энергозатрат на содержание почвы в садах под черным паром и залужением междурядий при используемой и предлагаемой технологиях (таблицы 1 и 2).



Таблица 1 - Прямые и общие энергозатраты на полный цикл обработки при содержании почвы под черным паром

Тип насаждений (ширина междурядий)	Энергозатраты, МДж/га
	прямые	общие
Сильнорослые (7 м) Среднерослые (6 м) Полукарликовые (5 м) Каликовые (4 м)	1371,4/1087,7 1412,8/1162,2 1535,7/1070,9 1467,1/1019,4	1936,3/1527,6 2037,0/1646,5 2242,8/1524,9 2301,2/1635,3
Примечание: В числителе приведены показатели для традиционной технологии, в знаменателе - для новой.

Установлено, что при содержании почвы в садах под черным паром обработка междурядий за один проход агрегата снижает энергозатраты на уход до 30% в зависимости от типа насаждений. При залужении междурядий затраты энергии, приходящиеся на единицу продукции, снижаются на 8,8%.

Таблица 2 - Результаты анализа затрат энергии при содержании почвы под залужением междурядий

Наименование показателей	Единица измерения	Базовый вариант	Новый вариант
Энергетические затраты на выполнение технологического процесса, Е	МДж/га	1903,2	1910,1
Отношение полных затрат энергии на 1 кг продукции	МДж/кг	0,238	0,217
Показатель энергетической эффективности		0,0088	0,0096

Производство машин нового комплекса для обработки приствольных полос в интенсивных садах осваивает ООО «НПЦ «ТехноСад». На конец 2009 года достигнуты следующие результаты:

- Разработана конструкторско-технологическая документация на машину МПП-1,2 для обработки приствольных полос в садах. Освоено производство машины. Изготовлена и реализована потребителям опытная партия из трех машин.

- Разработана конструкторско-технологическая документация на косилку КСМ-2,5 для мульчирования приствольных полос в интенсивных садах. Изготовлен образец косилки и проведены его испытания.

- Разработано техническое задание на проектирование гербицидной штанги для обработки приствольных полос в садах.



ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В соответствии с тенденцией интенсификации промышленного садоводства его основу должны составлять насаждения на слаборослых клоновых подвоях. Особенности таких насаждений создают проблему эффективного ухода за почвой, обеспечивающего благоприятные условия для развития и плодоношения деревьев.

2. Основным направлением совершенствования технологий ухода за почвой в интенсивных садах является разработка эффективных средств механизации обработки приствольных полос шириной 1 м по каждую сторону ряда, где расположена основная масса корневой системы слаборослых деревьев.

3. Обоснованы ресурсосберегающие технологии механизированного содержания почвы в садах на слаборослых подвоях: 1) под черным паром, с использованием специальных машин для обработки приствольных полос и серийных - для обработки свободной части междурядий; 2) залужение свободной части междурядий и черный пар в приствольных полосах, с мульчированием последних травой, периодически скашиваемой в междурядьях.

4. Разработаны методики проектирования технических средств, позволяющих содержать приствольные полосы необходимой ширины под черным паром за счет периодически чередующихся механических обработок, опрыскивания гербицидами, а также мульчирования приштамбовой зоны травой, скашиваемой в залуженных междурядьях.

5. Для механической обработки приствольных полос разработана конструктивно-технологическая схема машины с вертикально-фрезерными рабочими органами, смонтированными на поворотном корпусе и обеспечивающими обход штамбов деревьев от реакции почвы. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что необходимая ширина захвата рабочих органов достигается при количестве фрезерных барабанов k = 4 и их диаметре d_б = 0,32 м, а качественное выполнение технологического процесса - при следующих параметрах и режимах работы поворотной секции: количество ножей на барабане - 4; угол установки ножей на фланцах - 30 к радиусу; длина подрезающего лезвия ножа - 0,05 м; фазовый сдвиг между барабанами - 22,5; соотношение окружной и поступательной скоростей - 4,8. Определено, что фактическая площадь защитного круга у штамбов деревьев, подрезаемость сорняков и фракционный состав почвы соответствуют агротребованиям на данный технологический процесс.