Обоснование параметров устройства для полосно-разбросного посева семян трав в дернину

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛОСНО-РАЗБРОСНОГО ПОСЕВА СЕМЯН ТРАВ В ДЕРНИНУ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

Мяленко Василий Владимирович

Новосибирск - 2010

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

Научный руководитель:

доктор технических наук Нестяк Вячеслав Степанович (ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии)

Официальные оппоненты:

член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор сельскохозяйственных наук Домрачев Виктор Андрианович (ГНУ СибНИИСХ Россельхозакадемии)

кандидат технических наук, заслуженный инженер РФ Пыльник Петр Андреевич (ООО «Сибирский Агропромышленный дом»)

Ведущее предприятие

ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В развитии животноводства особая роль принадлежит кормопроизводству, на долю которого приходится более 70% земельных ресурсов. Затраты на корма при этом составляют 45-60% от себестоимости продукции животноводства.

Кормовые угодья, площади которых в Сибири исчисляются миллионами гектаров, характеризуются изреженным, зачастую выродившимся травостоем с урожайностью сена 2,5 - 6,5 ц/га, а срок пользования сеяными многолетними травами нередко переходит за 10 - 15 и более лет. Между тем, с таких угодий при улучшении их с помощью соответствующих приемов обработки и посева многолетних трав можно получать кормовой массы больше минимум в 2 - 4 раза.

Согласно «Концепции машинно-технологического обеспечения растениеводства на период до 2010 г.» приоритетным принципом восстановления лугового кормопроизводства является улучшение объектов за счет малозатратных и доступных технологий и агротехнических мероприятий. Следовательно, разработка ресурсосберегающих технологических процессов и технических средств, позволяющих повысить продуктивность лугов, остановить прогрессирующую деградацию травостоев и снижение плодородия почв, является актуальной народнохозяйственной задачей.

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ГНУ СибИМЭ по теме: «Разработать эффективную наукоемкую машинную технологию ускоренного залужения выродившихся травостоев, обеспечивающую восстановление их продуктивности». Номер государственной регистрации 01201000896.

Цель исследования - повышение продуктивности старовозрастных лугов за счет улучшения равномерности распределения семян по площади питания при полосно-разбросном способе посева трав в дернину.

Объект исследования - технологический процесс полосно-разбросного посева семян многолетних трав.

Предмет исследования - закономерности процессов бороздообразования и распределения семян по ширине полосы и глубине заделки при полосно-разбросном посеве трав в дернину.

Методы исследования. При проведении исследований были использованы методы активного планирования эксперимента, метод испытаний сельскохозяйственной техники с использованием стандартных и частных методик с последующей обработкой результатов методами математической статистики. Применялся также метод научного прогнозирования с использованием анализа и обобщения материалов литературных источников.

Научную новизну представляют:

Способ полосно-разбросного посева трав, обеспечивающий требуемую глубину заделки семян за счет снятия надпосевного дернового слоя почвы.

Конструктивно-технологическая схема сошниковой группы, позволяющая реализовать полосно-разбросной способ посева семян трав в дернину.

Конструктивно-технологические параметры рабочих органов сошниковой группы, обеспечивающей устойчивый процесс бороздообразования и равномерность распределения семян при полосно-разбросном посеве.

Новизна технических и технологических решений защищена четырьмя патентами Российской Федерации.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований по обоснованию конструктивно-технологической схемы сошниковой группы для полосно-разбросного посева семян трав;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров рабочих органов сошниковой группы;

- результаты эксплуатационно-технологической и агротехнической оценки экспериментального образца машины, реализующего новый способ полосно-разбросного посева трав.

Практическая значимость работы.

1. Применение предлагаемого устройства для полосно-разбросного посева семян трав обеспечит повышение эффективности механизированного процесса восстановления продуктивности кормовых угодий, в том числе:

- повышение урожайности кормовых угодий в 2 - 4 раза в сравнении с исходным травостоем;

- повышение качества (питательной ценности) получаемой продукции;

2. Предложенная конструкция сошниковой группы обеспечит:

- возможность использования серийных модулей типа стерневых зернотравяных сеялок СЗС-2,1 и СКП-2,1, СЗС-2,8 при производстве универсальных машин для полосно-разбросного способа посева трав;

- увеличение сезонной загрузки базового модуля за счет комплектования его различными сменными рабочими органами.

Реализация результатов исследования.

Машина для полосно-разбросного посева трав прошла экспериментальную проверку в Новосибирской области (ЗАО «Пригородное» Новосибирского района), а также ПОПХ «Чуйское» Майминского района Республики Алтай.

Материалы исследования рассмотрены и одобрены, а исходные требования на сеялку для полосно-разбросного посева трав утверждены НТС департамента АПК Новосибирской области.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы рассмотрены и одобрены на научно-практических конференциях: АГАУ (Барнаул, 2008 г.), «АГРО-СИБИРЬ» (Кемерово 2008 г.) и Ученом Совете ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии (Краснообск, 2006-2009 гг.)

Научный доклад на секции «Инновационные процессы в агроинженерии» на VI международной научно-практической конференции «Влияние приоритетного национального проекта - государственной программы «Развитие АПК» на сельское хозяйство Сибири» в рамках международной выставки - ярмарки «АГРО-СИБИРЬ 2008» отмечен дипломом II степени.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 6 печатных работах, в числе которых 2 патента РФ на изобретение, 1 статья в издании, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий….», рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 5 глав, общие выводы, список литературы из 109 наименований, в том числе на иностранном 3, и 10 приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 18 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, ее научная и практическая новизна, сформулирована цель исследований, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, обоснование цели и задачи исследования» дан краткий анализ современного состояния кормопроизводства в Сибири, рассмотрены основные технологические приемы повышения продуктивности лугопастбищных угодий. Отмечено, что, хотя большая часть лугопастбищных угодий требует коренного или поверхностного улучшения, одним из путей решения проблемы может служить внедрение малозатратных технологий, базирующихся на принципах минимального воздействия на почву при полосно-разбросном посеве непосредственно в дернину. При этом целесообразно минимизировать отрицательное воздействие на луговые угодья, так как дернина - уникальный природный горизонт, где сосредоточены ценные биоорганизации и её нецелесообразно уничтожать фрезерованием, гербицидами, пестицидами и т.п. с целью сохранения структуры почвы, рационального использования органических веществ.

Основным недостатком существующих отечественных посевных машин (стерневые сеялки: СЗС-2,1, СТС-2,1, СКП-2,1, агрегаты: СПФ-3,6, МПТД-3,8, МД-3,6, АПП-2,8, СДК-2,8, СДКП-2,8 и др.) является нестабильная равномерность заделки семян по глубине и распределение по площади питания. Кроме того, они не позволяют реализовать требование оптимального воздействия на дернину, узок диапазон их использования (эффективно они могут быть использованы лишь на ряде лугов и пастбищ), высока их энергоёмкость и мала производительность. При прямом посеве с помощью фрезерования высеянные семена перемешиваются со слоем обработанной почвы, что неудовлетворительно сказывается на времени появления всходов и дальнейшем их развитии.

Анализ конструкций зарубежных сеялок (Huard SD 300 (Франция); SIMA-2000 фирма Kuhn-Huard; фирма Gaspardo (Италия); фирма Amazonen Werke (Германия); фирма John Deere (США) и др.) показывает, что, несмотря на их достоинства, они не полностью соответствуют нашим агротребованиям в части ширины междурядий, агрегатирования с тракторами различного класса тяги. Кроме того, существенным препятствием для оснащения указанными машинами отечественных сельхозпроизводителей является их высокая стоимость.

Теоретическое обоснование подсева трав без вспашки как приёма поверхностного улучшения лугопастбищных угодий сделано ещё в 30 - 50^х годах советскими луговодами А.Н. Раменским и Т.А. Работновым. Положительные результаты по подсеву семян трав в дернину природных лугов были получены в опытах ВИК, Башкирского НИИСХ, Казахского НИИ лугопастбищного хозяйства и других НИУ в различных природно-климатических зонах. Однако широкое применение улучшения лугов путём подсева длительное время сдерживалось из-за отсутствия приемов и технических средств, обеспечивающих в условиях сильной конкуренции в отношении света и элементов питания подавление аборигенной растительности.

Изысканию перспективных экологически безопасных способов посева и разработке конструкций рабочих органов машин для прямого посева трав посвящены работы С.Л. Демшина, В.П. Косьяненко, О.С. Марченко, В.А. Домрачеева, Л.Э. Попова, А.Д. Кормщикова, Г.Д. Портнова, А.С. Кабаченко, В.Е. Хоронженко, А.Е. Мордуховича, А.М. Дмитриева, В.В. Мызгаева, В.А. Сысуева, М.Ф. Синина, А.П. Шевченко, В.А. Бахмутова, В.А. Любчич и др.

Несмотря на многочисленные работы, выполненные в этом направлении, вопросы создания благоприятных условий прорастания для подсеваемых культур остаются по-прежнему актуальными. Важнейшими задачами при прямом посеве являются обеспечение приживаемости подсеваемых сельскохозяйственных культур, за счет максимальной защиты их от конкуренции со стороны аборигенного травостоя, и оптимальное распределение подсеваемых культур по площади питания, что ослабит их взаимную конкуренцию, обеспечит всходам наилучшие условия для выживания и благоприятно скажется на дальнейшем их развитии. Целью настоящего исследования является повышение продуктивности старовозрастных лугов за счет улучшения равномерности распределения семян по площади питания путем совершенствования полосно-разбросного способа посева непосредственно в дернину.

В качестве рабочей гипотезы в нашей работе принято предположение о том, что равномерность распределения семян трав в дернину можно улучшить за счет полосно-разбросного посева лаповым сошником с последующим снятием верхнего надпосевного слоя дернины на требуемую глубину.

Для достижения поставленной выше цели необходимо решить следующие задачи исследований:

1. Обосновать конструктивно-технологическую схему сошниковой группы для полосно-разбросного способа посева семян трав.

2. Обосновать основные параметры рабочих органов сошниковой группы и режимы работы машины для полосно-разбросного посева семян трав.

3. Определить агротехнические и эксплуатационно-технологические показатели работы машины для полосно-разбросного посева трав.

4. Определить основные показатели эффективности технологии улучшения малопродуктивных кормовых угодий с использованием сеялки для полосно-разбросного посева трав.

• Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивно-технологических решений» обоснованы способ полосно-разбросного посева трав и основные конструктивно-технологические параметры рабочих органов сошниковой группы для реализации полосно-разбросного способа посева семян трав.
• С учетом специфики условий прямого посева в дернину деградированного травостоя, анализа известных приемов и конструктивных решений нами разработан технологический процесс полосно-разбросного посева семян трав. Перечень технологических операций и рабочих органов, реализующих процесс полосно-разбросного посева семян трав, представлен в таблице 1.
• Таблица 1 - Технологические операции при полосно-разбросном способе посева

№ п/п	Наименование операции	Тип рабочего органа	Схема процесса
1	Резание в вертикальной плоскости с разделением полосы обработки на две части	дисковый нож - 1
2	Подрезание почвы в горизонтальной плоскости лаповым сошником на глубину 6 -8 см с образованием семенного ложа	стойка - 2 стрельчатая лапа - 3 наральник - 4
3	Полосно-разбросной посев на ширину полосы ?100 см и глубину 6 - 8 см.	лаповый сошник - 3 распределитель семян - 5
4	Укрытие семян рыхлой почвой	лаповый сошник - 3
5	Вырезание пластов дернины в полосе обработки выше семенного ложа на глубину посева (1 - 3 см)	лапа-отвальчик - 6
6	Укладка вырезанных пластов дернины по граничной зоне полосы обработки	открылки лапы-отвальчика - 7
7	Уплотнение верхней части надпосевного слоя почвы	прорезиненный каток - 8

• Рабочие органы выполняют следующие операции: резание в вертикальной плоскости с разделением полосы обработки на две части (дисковый нож), подрезание почвы в горизонтальной плоскости на глубину 6 - 8 см с образованием семенного ложа (лаповый сошник), полосно-разбросной посев на ширину полосы ?10 см и глубину 6 - 8 см (лаповый сошник + пассивный распределитель), укрытие семян рыхлой почвой за счет возврата в полосу поднятых пластов дернины, вырезание пластов дернины в полосе обработки выше семенного ложа на глубину посева (1 - 3 см) (лапа-отвальчик), укладка вырезанных пластов дернины по граничной зоне полосы обработки (открылки лапы-отвальчика), уплотнение верхней части надпосевного слоя почвы (прорезиненный прикатывающий каток).

Обоснование типа ножа и определение усилия, действующего на нож.

Наиболее ответственными технологическими операциями в предлагаемом способе полосно-разбросного посева являются процессы прорезания и вырезания дернины, укладка фрагментов этой дернины вдоль граничной зоны полосы обработки и заделка семян на строго заданную глубину. При этом не допускается возврата вырезанной дернины в полосу обработки, а также разрыва этой дернины на отдельные фрагменты и беспорядочного их распределения в необработанном междурядье.

Разрезание дернового слоя возможно производить двумя видами рабочих органов: дисковым или черенковым ножом. В предлагаемой конструктивно-технологической схеме посевной секции выбран дисковый нож, так как черенковый в ходе работы сгруживает корневищные остатки и растительную массу после укоса, что негативно влияет на дальнейший процесс посева семян трав.

Резанию дернового слоя лезвием дискового ножа предшествует процесс предварительного сжатия им материала до возникновения на кромке лезвия ножа разрушающего контактного напряжения у_р. Скорость резания зависит от величины критической силы резания F_кр, прикладываемой к ножу.

При внедрении лезвия в дернину на нож влияют следующие силы (рис. 1):

полосной разбросной посев дернина

Рис. 1. Силы, действующие на дисковый нож при прорезании дернового слоя: F_з - заклинивающие силы, действующие на вертикальную плоскость ножа, F_рез - сила, характеризующая сопротивление материала разрушению и действующая на кромку лезвия, F_сж - сила сопротивления материала сжатию фаской ножа, ц - угол трения, F_тр - сила трения

F_рез = S_кр ? у = д ??а ? у_р, (1)

где д - толщина кромки лезвия, мм ?а - контактная длина лезвия, мм.

F_тр = Q_n? f (2)

где f - коэффициент трения лезвия о волокна растений.

F₁ = F_тр ? f (3)

F¹₂ = F₁ ? cosб (4)

F_кр ? F_рез + F¹₂ + Q_n + F_рез (5)

Исходя из рассчитанной нами силы резания (73 кг на 1 нож), необходимой для качественного прорезания дернины, конструктивные параметры дискового ножа должны иметь следующие значения: диаметр 430 мм, толщина 3 мм.

Обоснование формы и геометрических размеров лапы сошника для полосно-разбросного посева семян трав.

В соответствии с агротехническими требованиями, семена трав должны быть уложены во влажный слой почвы на твердое ложе. Указанные требования могут быть выполнены лаповым сошником, укрывающим семена рыхлой почвой по ширине полосы посева (см. табл.1). Равномерная глубина заделки семян достигается за счет вырезания пластов дернины в полосе обработки выше семенного ложа на глубину посева.

Проведенный анализ распределения скорости движения почвенной частицы позволяет сделать вывод, что для достижения устойчивой работы сошников и обеспечения наименьшего сопротивления, сгруживания и смещения почвы необходимо, чтобы их рабочая поверхность позволяла скользить без замедления. При этом относительная скорость скольжения в любой точке поверхности должна быть равной или превышать начальную скорость, а её конечная абсолютная величина должна быть равной абсолютной величине поступательной скорости рабочего органа.

В работах Д.А. Смиловенко и М.К. Малева высота подъёма пласта или высота свода бороздообразователя h_с, удовлетворяющая вышеописанным условиям, определяется в зависимости от глубины хода сошника Н, по формуле:

h_с = (0,4-0,6)?Н (6)

Учитывая физико-механические особенности обыкновенного тяжелосуглинистого чернозёма и для обеспечения лучшей крошащей способности, принимаем высоту подъёма пласта равной h_с = 28 - 42 мм.

При этом в любой точке рабочей поверхности будет соблюдаться необходимое условие скольжения почвы без замедления относительной скорости.

Обоснование выбора распределительного устройства.

Для реализации полосно-разбросного способа посева семян трав согласно конструктивно-технологической схеме сошниковой группы используется лаповый сошник-стойка (от сеялки СЗС-2,1) с уменьшенной шириной захвата стрельчатой лапы. Для улучшения равномерности распределения семян по ширине полосы посева в таких типах сошников обычно устанавливают различные распределительные устройства.

В нашем случае происходит вырезание пласта дернины и удаление его из полосы обработки практически без крошения, залипание подсошникового пространства не происходит, а для посева используют высококондиционные очищенные семена с отсутствием крупных примесей. Поэтому выбираем пассивный распределитель с криволинейной выпуклой формой. Такой распределитель имеет относительно простую конструкцию и хорошо зарекомендовал себя при посеве в неширокие полосы.

Обоснование геометрических размеров и формы лапы-отвальчика для полосно-разбросного посева семян трав.

При проектировании рабочей поверхности лапы-отвальчика необходимо учитывать, по меньшей мере, два основных фактора, которые определяют характер явлений, протекающих в почве под воздействием рабочего органа почвообрабатывающего орудия. Первый - технологические свойства почвы, второй - особенности технологического процесса механической обработки и геометрическая форма рабочего органа.

В настоящей работе рассматриваются вопросы минимальной обработки и прямого посева трав в дернину многолетних и старовозрастных лугов и пастбищ. Перечисленные типы почв обычно являются вязкими, влажными и задернелыми, а отрыв происходит по горизонтальному направлению, при этом пласт, поступая на рабочую поверхность клина, изгибается.

В зависимости от связности почвенного слоя пласт, проходя по клину и по отвалу, может разрушаться в большей или меньшей степени. При малой связности раскрошенный пласт осыпается с отвала, и частицы почвы при этом перемешиваются.

Специфика технологического процесса подразумевает, что оборот подрезанного пласта производится не в открытую борозду, а поднимается на установленную глубину обработки, затем оборачивается. В этом случае процесс работы лапы-отвальчика сравним с условиями работы первого корпуса плуга при первом проходе. Винтовая же поверхность не поднимает пласт на себя, а переваливает его по дну борозды. При этом особенность технологического процесса состоит в том, что обработка производится на малую глубину (h ? 0,05 м).

Одно из главнейших требований, предъявляемых к работе лапы-отвальчика, заключается в полном обороте пласта дернины. Поэтому из выше изложенного, можно сделать вывод, что рабочая часть лапы-отвальчика должна иметь комбинированную поверхность. Для полного оборота пласта дернины рабочая часть лапы-отвальчика, ниже горизонта поля, должна соответствовать параметрам скоростной лемешно-отвальной поверхности, а в диапазоне выше горизонта поля рабочая часть лапы-отвальчика должна иметь винтовую лемешно-отвальную поверхность.

Плужные корпуса с винтовой рабочей поверхностью качественно укладывают пласт, если отсутствует полный отрыв пласта от дна борозды и заброс его в сторону. Чтобы рассмотреть условие отрыва пласта от дна борозды, разобьем его на отдельные равновеликие параллелепипеды с поперечным сечением аЧb и длиной Дl. Это позволит свести движение параллелепипеда к движению центра его массы (центра тяжести) как материальной точки, обладающей массой и подвергающейся действию определенных сил. Наибольшая вероятность отрыва элементарного параллелепипеда от дна борозды будет наблюдаться в момент, когда направление центробежной силы станет прямо противоположным направлению силы тяжести. Условие поворота пласта без отрыва от дна борозды (рис. 2) примет вид:

(7)

Рис. 2. Силы, действующие на пласт в процессе его оборота: N -- нормальная реакция со стороны рабочей поверхности; mщ²r -- центробежная сила инерции; та_ф -- тангенциальная сила инерции; R_оп -- реакция дна борозды; mg -- сила тяжести; щ -- угловая скорость поворота пласта; ? -- угол между направлением центробежной силы и силы тяжести; т -- масса выделенного параллелепипеда

Отсюда

, (8)

где; r -- расстояние от оси вращения до центра тяжести поперечного сечения пласта, м; g -- ускорение свободного падения, м/с.

При движении плужного корпуса со скоростью V и длине рабочей поверхности корпуса L любая точка пласта будет находиться в контакте с рабочей поверхностью некоторое время t = L/V. За это же время пласт повернется на угол в=щt. Решив последнее уравнение относительно t и приравняв правые части двух уравнений, получим:

,

Откуда

. (9)

Подставив в (8) вместо щ его выражение из формулы (9), получим

, (10)

где L/в может рассматриваться как характеристика шага винта.

Из формулы (10) следует: чем больше шаг винта, тем меньше вероятность отрыва пласта. Подставив в формулу (10) параметры определенных винтовых поверхностей, получим, что V < 2,46 - 3,6 м/с, т. е. 9,6 - 13 км/ч. Однако расчеты проведены без учета связности пласта, поэтому действительные критические скорости движения будут больше расчетных.

При проектировании и изготовлении экспериментальной посевной секции были заложены следующие параметры лемешно-отвальной поверхности: угол г_о = 28^о, угол _о = 25^о, а винтовая поверхность отвала выполнялась в виде геликоида с постоянным шагом винта и прямолинейной образующей.

В результате теоретических исследований определены параметры сошниковой группы (табл. 2).

Таблица 2 - Теоретические параметры сошниковой группы

№ п/п	Обозначения	Интервал варьирования	Наименование
1	hс, м	0,028-0,042	Высота подъема пласта
2	го, о	28о	Угол раствора
3	о, о	25	Угол резания
4	D, мм	430	Диаметр дискового ножа
5	h, мм	3	Ширина дискового ножа

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа и методика экспериментальных исследований, описано экспериментальное оборудование.

Для проведения исследований в соответствии с программой и методикой была разработана посевная секция, изображенная на рис. 3.

Процесс полосно-разбросного посева семян трав в дернину протекает следующим образом: дисковый нож, установленный впереди посевной секции, разрезает дернину в вертикальной плоскости на глубину h₁. Идущая следом лапа-сошник подрезает дернину в горизонтальной плоскости, производя полосно-разбросной посев семян трав на глубину h₂ одновременно присыпая высеянные семена рыхлой почвой. Следом идет лапа-отвальчик, которая срезает и удаляет с полосы обработки слой почвы толщиной h₃.



Рис. 3. Схема посевной секции: 1 - рама; 2 - семенной бункер с высевающим аппаратом; 3 - семяпровод; 4 - дисковый нож; 5 - лаповый сошник; 6 - подпочвенный нож; 7 - лапа-отвальчик; 8 - прикатывающий каток; h₁ - глубина хода дискового ножа; h₂ - глубина хода лапы-сошника; h₃ - глубина хода лапы-отвальчика; h₄ - глубина посева

Подрезанный этой лапой пласт дернины делится на две части, за счет лево- и правооборачивающих отвальных поверхностей сдвигается, оборачивается и укладывается вдоль границ полосы обработки практически без крошения. Установленные в нижней части лапы-отвальчика подпочвенные ножи подрезают пласт почвы в вертикальной плоскости с некоторым недорезом дернины в верхней её части. При этом формируются ровные стенки борозды, а расстояние между подпочвенными ножами соответствует ширине полосы обработки. Рабочие поверхности лапы-отвальчика поднимают и оборачивают подрезанные пласты дернины, а открылки сдвигают их в приграничные зоны полосы обработки, обеспечивая при этом закрытие дерном природного травостоя и временно лишая его основного фактора жизни (свет).

Требуемая глубина посева обеспечивается взаимным положением лапы-отвальчика относительно лапового сошника. Регулировка глубины заделки семян осуществляется перемещением стойки лапы-отвальчика в вертикальной плоскости, при этом h₄= h₂-h₃-?h, где ?h - величина уплотнения почвы прикатывающим катком.

Экспериментальный образец машины для полосно-разбросного посева трав (далее СЗС-2,1Т) изготовлен на базе сеялки-культиватора СЗС-2,1 с максимально возможным применением её основных узлов и агрегатов. Доработка узлов и агрегатов заключалась в изменении конструкции рамы для установки посевных секций; установке посевных секций по числу обрабатываемых полос; установке ворошилки в бункер для уменьшения сводообразования; изменении конструкции прикатывающих катков; доработке привода высевающих аппаратов.

Планирование эксперимента. Для определения оптимальных параметров бороздообразующих рабочих органов и режимов работы машины использовался метод активного планирования эксперимента. В качестве параметра оптимизации принят качественный показатель - стабильность процесса бороздообразования.

На основе анализа литературных источников, результатов собственных исследований и поставленной задачи основными факторами, влияющими на протекание технологического процесса, определены: высота подпочвенного ножа X₁, угол раствора открылок Х₂, скорость движения технического средства Х₃, расстояние между лапой сошника и лапой-отвальчиком Х₄, шириной распределителя Х₅ (рис. 4).

Рис. 4. Рабочие органы сошниковой группы и факторы плана эксперимента: 1 - лаповый сошник; 2 - лапа-отвальчик; 3 - распределительное устройство; 4 - нож подпочвенный; X₁ - высота подпочвенного ножа; Х₂ - угол раствора открылок; Х₃ - скорость движения технического средства; Х₄ - расстояние между лапой сошника и лапой-отвальчиком; Х₅ - шириной распределителя

Численные значения факторов выбраны из следующих соображений:

1. Высота вертикального подпочвенного ножа (h, мм) - из условий глубины хода лапы-отвальчика и частичного недореза верхнего слоя дернины (30-70мм, шаг-20мм).

2. Поступательная скорость движения V_р выбрана в пределах рабочего диапазона скоростей при полосно-разбросном посеве и с учётом проведённых нами ранее экспериментов. Интервал варьирования составляет: 5…9 км/ч.

3. Угол раствора открылок (, град). Пределы значений этого фактора определялись в серии предварительных экспериментов. Установлено, что при 40 иногда происходит частичное закрытие борозды, а при 70 и на больших скоростях движения идёт интенсивное отбрасывание почвы за пределы граничной зоны полосы обработки.

Остальные факторы, влияющие на процесс бороздообразования, фиксировали на определенном уровне и оставляли неизменными на протяжении всей серии экспериментов (расстояние между лапой сошником и лапой-отвальчиком, глубина хода лапы-отвальчика и ширина распределителя семян). Неуправляемые факторы (неровности поверхности поля) в процессе проведения экспериментов контролировали посредством замеров.

Опыты проводились с трехкратной повторностью, по их результатам составлялось уравнение регрессии. Значимость полученных коэффициентов и адекватность модели проверялись по критериям Стьюдента и Фишера в программе «Statistica» на электронно-вычислительной машине.

Агротехническую оценку проводили в соответствии со стандартом отрасли ОСТ 10 5.1-2000 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей». Она включала следующие показатели:

а) выбор фона и характеристику условий испытаний;

б) выбор режимов работы;

в) определение показателей качества работы.

Качественные показатели включали:

- равномерность заделки семян по глубине - определялась по этиолированной части растений;

- равномерность заделки семян по площади питания - определяли путем продольного деления посевной полосы (10 см) на 5 равных частей на 1 погонном метре в трехкратной повторности и дальнейшем подсчете количества подсеянных растений;

- качество процесса бороздообразования определяли по частной методике путём замера участков закрытой и открытой части полосы обработки (рис. 5) из выражения:

(11)

где Y - стабильность процесса бороздообразования, %; L_зачёт - общая длина зачётного участка полосы обработки, м; L_закр - суммарный размер полосы обработки, закрытый подрезанной дерниной, м;

Рис. 5. К определению устойчивости процесса бороздообразования

Расстояние от края полосы обработки до фрагментов дернины, удалённой из этой зоны, определяли с помощью линейки с точностью 1 см. Число замеров - не менее 25 по каждой полосе обработки. Этот показатель характеризует процесс формирования защитной зоны с целью подавления конкуренции исходного травостоя. Энергетическую оценку проводили в соответствии с ОСТ 10.2.2-2002 «Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки». В течение опыта регистрировали следующие параметры:

- тяговое сопротивление;

- путь, пройденный за опыт;

- продолжительность опыта.

Для проведения энергетической оценки машины для полосно-разбросного посева трав использовался трактор МТЗ-80Л. Измерения тягового усилия трактора проводилось с помощью динамометра.

Эксплуатационно-технологическую оценку проводили в соответствии с ГОСТами 24055-88 и 244057-88 «Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки».

При эксплуатационно-технологической оценке определялись:

- производительность за 1 час основного, сменного и эксплуатационного времени, га/ч;

- удельный расход топлива, кг/га;

- число обслуживающего персонала, чел;

- количество продукции (объём работ), га.

- по организации испытаний - дату и место проведения, вид работы и состав агрегата, марку машины;

- по условиям испытаний - метеорологические, природные условия;

- по режимам работы - скорость движения, глубину хода рабочих органов;

- по качеству работы - агротехнические показатели, указанные выше;

- объём выполненной работы, га.

Прочие показатели. Показатели агротехнического фона при различных способах полосно-разбросного посева в соответствии с требованиями ГОСТ 20915-75. «Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний». Экономические показатели определялись согласно ОСТ 10.2.18-2001. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы экономической оценки.

В главе 4 «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных на лугах ЗАО «Пригородное» Новосибирского района, Новосибирской области в 2007 - 2010 гг. В зависимости от цели эксперимента выбирались соответствующие участки, обеспечивающие выполнение задач исследований в полном объёме.

На первом этапе исследований отрабатывалась конструктивно-технологическая схема устройства для полосно-разбросного посева, тип, форма и взаимное расположение рабочих органов сошниковой группы.

Затем проводились экспериментальные исследования по обоснованию основных параметров рабочих органов сошниковой группы с использованием метода активного планирования экспериментов.

Исследования проводились на лабораторно-полевой установке «Посевная секция», разработанной и изготовленной в лаборатории механизации процессов возделывания и уборки трав ГНУ СибИМЭ.

После реализации плана эксперимента и обработки данных в программе «Statistica» получены уравнения регрессии вида:

,

где: Y - степень открытия, %; Х₁ - высота ножа, мм; Х₂ - угол раствора, град,

Х₃ - скорость движения, км/ч.

Из анализа полученных моделей и поверхностей откликов следует вывод, что степень открытия борозды зависит от трех факторов, введенных в план эксперимента: высоты ножей (Х₁), угла раствора открылок (Х₂) и скорости движения агрегата (Х₃).

Наибольшее влияние на процесс бороздообразования оказывают факторы: угол раствора открылок (Х₂) и скорость движения (Х₃), причем на приведенных графиках (рис. 6) отчетливо видна зона оптимума функции.

Рис. 6. Зависимости степени открытия борозды от исследуемых факторов

На основании статистического анализа экспериментальных данных определён диапазон оптимальных значений исследуемых факторов:

1. Оптимальными параметрами бороздообразующих рабочих органов посевной секции будут являться:

- высота подпочвенного ножа h₁ = 55 - 60 мм;

- угол раствора открылок = 55 - 60 .

2. Рабочая скорость движения агрегата с указанными выше параметрами должна составлять V_P = 7 - 9 км/час (2 - 2,5 м/с).

С учетом полученных значений, на втором этапе исследований нами были изготовлены 4 комплекта сошниковых групп с рабочими органами для полосно-разбросного посева семян трав.

Указанные комплекты были установлены на раму серийной сеялки СЗС-2,1, и дальнейшие исследования проводились с использованием экспериментального образца машины - СЗС-2,1Т (рис. 7, 8).

Рис. 7. Экспериментальный образец машины для полосно-разбросного посева семян трав на базе СЗС-2,1

Рис. 8. Вид поля после прохода экспериментального образца машины СЗС-2,1Т

По результатам агротехнической оценки сделаны следующие выводы:

1. Экспериментальный образец машины СЗС-2,1Т соответствует проектным исходным требованиям по качеству бороздообразования. Рабочие органы машины с указанными выше параметрами обеспечивают степень открытия посевной борозды до 95% в рабочем диапазоне скоростей.

2. Экспериментальный образец машины СЗС-2,1Т обеспечивает устойчивое распределение семян по ширине и глубине полосы обработки:

- процент семян, заделанных в зону агротехнических допусков, составляет 87-89%, что соответствует агротребованиям;

- распределение по площади питания (по ширине полосы обработки) равномерное, с отклонением 1 - 2% относительно ширины борозды (рис. 9);

- количество семян, не заделанных в почву, составляет не более 0,1%.

Рис. 9. Процентное соотношение распределения семян относительно ширины полосы посева.

Результаты энергетической оценки. В результате энергетической оценки установлено, что экспериментальный образец машины СЗС-2,1Т устойчиво выполняет технологический процесс в диапазоне рабочих скоростей от 5 до 9 км/ч. Тяговое сопротивление при этом увеличивается с 11,1 до 11,54 кН, а удельный расход топлива при оптимальном скоростном режиме составляет около 4,2 кг/га.

Приведенные показатели действительны при комплектации машины четырьмя сошниковыми группами.

В результате эксплуатационно-технологической оценки работы экспериментального образца машины для полосно-разбросного посева семян трав установлено, что производительность машины за 1 час основного времени для условий старовозрастных лугов составляет ? 1,6 га, коэффициент использования сменного времени ? 0,75, коэффициент использования эксплуатационного времени ? 0,72. Полученные данные легли в основу расчета экономической эффективности процесса полосно-разбросного посева семян трав с применением экспериментального образца машины СЗС-2,1Т.

Фактическая экономическая эффективность механизированной технологии ускоренного залужения выродившихся травостоев с применением полосно-разбросного способа посева семян трав определена с учетом капитальных затрат на создание новой машины и представлена в таблице 3.

Таблица 3 - Фактическая эффективность технологии полосно-разбросного посева семян трав

№ п/п	Показатель	Ед. изм.	Технология	Основание для выбора
			Контроль (исх. трав.)	Рядовой посев	Полосно-разбросной посев
1	Урожайность - прибавка урожая - качество продукции (% бобовых культур)	ц/га ц/га %	10 - ?1,5	28,6 18,6 30	36,5 26,5 45	экспер. данные
2	Стоимость ед. продукции	руб/ц	200	350	350	рыночная цена
3	Объем доп. продукции в денежном выражении	руб/га	-	6510	9275	расчет
4	Годовой объем выручки	тыс. руб	400	1302	1855	расчет
5	Затраты на подсев - удельные приведенные - семена	руб/га	- -	1189 125	1233 250	расчет
6	Затраты на сезонный объем	тыс. руб		263	297	расчет

При нормативной загрузке 200 га годовой экономический эффект на одну машину составил в среднем 514 тысяч рублей.

Приведенные показатели действительны для условий проведения экспериментов 2009-2010 гг. на старовозрастном луге ЗАО «Пригородное» Новосибирской области.

Выводы

1. Обоснована конструктивно-технологическая схема сошниковой группы для полосно-разбросного способа посева семян трав в дернину, включающая последовательно расположенные рабочие органы в виде дискового ножа, лапы сошника, двухсторонней лапы-отвальчика с плоскими открылками и прикатывающего катка.

2. Обоснованы основные конструктивно-технологические параметры рабочих органов сошниковой группы и режимы работы экспериментальной машины для полосно-разбросного посева трав: высота подпочвенного ножа h₁ = 55 - 60 мм; угол раствора открылок = 55 - 60; глубина хода лапы сошника - 0,05 - 0,08м; глубина хода лапы-отвальчика - 0,04-0,07 м; рабочая скорость сеялки - 7 - 9 км/час; диаметр дискового ножа 430 мм, толщина 3 мм.

3. Определены основные функциональные показатели работы экспериментальной машины для полосно-разбросного посева трав в дернину:

- агротехнической оценкой работы экспериментальной машины для полосно-разбросного посева семян трав установлено, что основные функциональные показатели соответствуют исходным требованиям: степень открытия посевной борозды находится в диапазоне 95 - 98%, количество семян, не заделанных в почву, менее 0,1%, процент семян, уложенных в зону агротехнических допусков составляет 87-89%.

- энергетическая оценка экспериментальной машины для полосно-разбросного посева трав показала, что удельное тяговое сопротивление составляет около 11,1 - 11,9 кН.

- в результате эксплуатационно-технологической оценки экспериментальной машины СЗС-2,1Т установлено: производительность за 1 час основного времени составляет до 1,6 га, сменного времени - 1,2 га, эксплуатационного - 1,1 га, а расход топлива при этом не превышает 4,2 кг/га.

4. Определена эффективность основных результатов исследований:

- урожайность трав в первый год пользования повысилась в 3-4 раза в сравнении с исходным травостоем и в 1,3 раза - в сравнении с рядовым посевом;

- годовой экономический эффект при нормативной загрузке 200 га составил в среднем 514 тысяч рублей на одну машину.

Публикации по теме диссертации

1. Косьяненко В.П. Способ прямого посева трав и посевная секция для его реализации // III Международная научно-практическая конференция «Аграрная наука - сельскому хозяйству» / В.П. Косьяненко, В.В. Мяленко / Барнаул, 2008. - С.191-193.

2. Мяленко В.В. Улучшение деградированных кормовых угодий // VI Международная научно-практическая конференция «Наука и инновации агропромышленного комплекса» / В.В. Мяленко / Кемерово 2008. - С. 270-274.

3. Косьяненко В.П. Способ полосно-разбросного посева сельскохозяйственных культур и устройство для его осуществления // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей: в 3 кн. / V Международная научно-практическая конференция. / В.П. Косьяненко, В.В. Мяленко / Барнаул: Изд-во АГАУ, 2010.-Кн.- С.205-209.

4. Патент РФ на полезную модель №85788, А01В49/06 «Посевная секция». / В.П. Косьяненко, Н.Ф. Латынцев, В.В. Мяленко // Приоритет от 20.04.2009, Опубл. 20.08.2009.

5. Патент РФ на изобретение №2378815, А01С7/00 «Способ полосного посева семян сельскохозяйственных культур и устройство для его реализации». / В.П. Косьяненко, Н.Ф. Латынцев, В.В. Мяленко // Приоритет от 17.04.2008, Опубл. 20.01.2010.

6. Нестяк В.С., Косьяненко В.П., Мяленко В.В. Обоснование конструктивно-технологических параметров устройства для полосно-разбросного способа посева семян трав // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки/ Нестяк В.С., Косьяненко В.П., Мяленко В.В. / Новосибирск 2010. - №9. - С. 80-86.

Размещено на Allbest.ru