Обґрунтування параметрів технологічного процесу і робочих органів сівалки прямого сіву

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. В умовах ринку все більше використовуються ґрунтозахисні, волого- і енергозберігальні технології обробітку ґрунту, зокрема система мінімального обробітку ґрунту та її різновид - прямий посів. Наукові дослідження і практика використання різноманітних технологій обробітку ґрунту під зернові культури показують, що витрати енергії коливаються в широких межах - від 25 до 75 л/га. Найменші витрати спостерігаються при використанні сівалок прямого сіву. Аналіз відомих закордонних та вітчизняних сівалок прямого сіву показав, що кожна з них при своїх перевагах і недоліках у повній мірі не забезпечує необхідної за агротехнічними вимогами рівномірності загортання насіння на глибину. При цьому порівняно багато енергії витрачається на підготовку насіннєвого ложа. Особливо це стосується широкозахватних сівалок-культиваторів, на яких встановлені робочі органи підрізаючого типу. Основним недоліком таких робочих органів є те, що вони не в змозі якісно виконати технологічний процес на ґрунтах з підвищеним складом рослинних решток і не забезпечують рівномірне загортання насіння в умовах підвищеної щільності ґрунту. Отже, розробка ґрунтообробної приставки до серійної зернової сівалки типу СЗ-5,4, що забезпечить її використання як сівалки прямого сіву, є актуальною.

Мета і завдання дослідження - підвищення ефективності вирощування зернових культур шляхом зниження витрат енергії на обробіток ґрунту і сівбу.

Для досягнення поставленої мети намічено вирішити такі завдання:

- знайти технічні рішення для використання серійних зернових сівалок типу СЗ-5,4 в системі прямого сіву;

- розробити математичну модель динаміки функціонування сошникової системи з обґрунтуванням раціональних її параметрів;

- обґрунтувати раціональні параметри сівалки прямого сіву;

- обґрунтувати профіль робочого органу для обробітку ґрунту, що забезпечить мінімальні енергетичні витрати на підготовку насіннєвого ложа;

- провести комплекс експериментальних досліджень з перевірки достовірності результатів теоретичних досліджень;

- провести порівняльні дослідження експериментальної і серійної сошникових систем зернової сівалки;

- визначити якісні та енергетичні показники роботи запропонованої сошникової системи та сівалки прямого сіву;

- визначити економічну ефективність впровадження у виробництво результатів досліджень;

- впровадити у серійне виробництво сошникову систему з опорно-прикочуючим котком для зернових сівалок.

1. Механіко-технологічні передумови зниження витрат енергії на підготовку ґрунту під посів зернових культур

Зазначено, що результати наукових досліджень проблем, пов'язаних із засобами механізації обробітку ґрунту і посіву, наведені у роботах В.П. Горячкіна, П.М. Василенка, М.М. Сєвєрнєва, В.А. Агейчика, І.В. Морозова, П.В. Сисоліна, Я.С. Гуков, А.С. Кушнарьов, В.Ф. Пащенко, В.Д. Дубровін, Н.І. Любушко та ін.

Проведено аналіз агротехнічних вимог до підготовки ґрунту під посів зернових культур, існуючих засобів механізації у різноманітних системах обробітку ґрунту, технологічних процесів роботи сошникових систем, визначено їх недоліки та переваги.

Одним з найбільш перспективних напрямків мінімізації обробітку ґрунту є використання сівалок прямого сіву, які забезпечують достатньо високі урожаї зернових культур з найменшими витратами енергії і коштів.

Найбільш поширеним є дисковий сошник, який має невеликий тяговий опір, задовільно працює на погано оброблених ґрунтах, а також грудкуватих та багатих кореневими рештками. Але основним недоліком серійних дискових сошників є відносно низька рівномірність загортання насіння в ґрунт і незадовільна їх робота в умовах відсутності твердого ложа для насіння.

На закордонних зернових сівалках широко використовуються дискові сошники з індивідуальними опорно-прикочуючими котками. Така конструкція дозволяє покращити якість копіювання рельєфу ґрунту, рівномірність загортання насіння на глибину та покращує контакт їх з твердою фазою ґрунту.

На основі проведеного аналізу результатів відомих наукових розробок сформульовані мета і завдання досліджень.

2. Теоретичні дослідження з обґрунтування параметрів сівалки прямого сіву

Визначили будову сівалки прямого сіву на базі серійної, з використанням рівняння Лагранжа другого роду розроблені математичні моделі динаміки функціонування сошникової системи з опорно-прикочуючим котком та сівалки прямого сіву, а також проведені теоретичні дослідження для обґрунтування профілю хвильового диска для обробітку ґрунту.

У технологіях з використанням сівалок прямого сіву, як правило, не передбачається попередньої підготовки насіннєвого ложа, а сошникові системи серійних зернових сівалок в цих умовах не можуть працювати. Тому для підготовки насіннєвого ложа в таких системах пропонується обладнати серійну зернову сівалку типу СЗ-5,4 ґрунтообробною приставкою, робочими органами якої є хвилясті ґрунтообробні диски. Під час роботи такої комбінованої машини хвилястий диск обробляє смугу шириною 5 см, у яку сошник загортає насіння. Таке поєднання, у порівнянні з американською сівалкою прямого сіву „Грейт Плейнз”, призведе до зменшення вартості машини приблизно у 10 разів, збільшення ширини захвату на 20 % і надасть можливість використовувати її в різних системах основного обробітку ґрунту.

З метою забезпечення якості підготовки ґрунту дисковими хвильовими робочими органами сівалки прямого сіву необхідно збільшити допустиму робочу швидкість руху серійної зернової сівалки на 30 % за рахунок встановлення на серійну дискову сошникову систему опорно-прикочуючого котка.

На рівномірність ходу сошників суттєво впливає їх здатність копіювати рельєф поля. Конструкція і параметри сошникових систем повинні забезпечувати копіювання рельєфу поля при встановленій глибині загортання насіння. Для визначення раціональних параметрів запропонованої сошникової системи розробили математичну модель динаміки її функціонування.

У результаті рішення диференційного рівняння знайдені залежності коефіцієнта варіації значень кута від параметрів сошникової системи.

Аналіз залежностей показує, що при збільшенні довжини повідка до 1,01 м коефіцієнт варіації знижується. Раціональне значення жорсткості пружини натискної при заданих параметрах сошникової системи повинно бути не менше 1500 Н/м. При куті нахилу повідка сошника 75-85° коефіцієнт варіації найменший. Він знижується також, якщо точка прикладання сили дії натискної штанги від точки підвісу буде на відстані від 0,6 м, тобто за вертикальною віссю сошника.

Найбільший вплив на коефіцієнт варіації має швидкість руху. Так, при її збільшенні у два рази, він зростає більше ніж в 10 разів. При збільшенні маси сошника від 3,6 до 5,6 кг в заданих умовах зменшується коефіцієнт варіації, а при подальшому її збільшенні - підвищується.

Приставка з ґрунтообробними дисками до зернової сівалки типу СЗ-5,4, яка укомплектована сошниковими системами з опорно-прикочуючими котками, дозволяє використовувати її як сівалку прямого сіву. Під час руху такої машини дія зовнішніх факторів приводить систему в коливальний рух. Збільшення коливань сівалки негативно впливає на якісні показники її роботи, надійності тощо. Для визначення впливу параметрів сівалки прямого сіву на динаміку її функціонування складено математичну модель.

Розглядається модель як механічна система, що складається з двох твердих тіл. Між ними є зв'язок, який обумовлюється шарнірним з'єднанням. За узагальнені координати приймаємо кут повороту сниці сівалки відносно точки та кут повороту сниці приставки відносно точки .

У результаті рішення системи диференційних рівнянь знайдені залежності максимальних відхилень сівалки і приставки від прямолінійності їх руху при змінних параметрах машини.

Аналіз залежності максимальних відхилень сівалки від ширини її захвату показує, що збільшення ширини захвату сівалки і, відповідно, приставки від 3,0 до 5,4 м сприяє збільшенню амплітуди коливань сівалки приблизно на 15 %.

При збільшенні довжини сниці сівалки відхилення зростають за законом, близьким до пропорційного. Так до 2,8 м відхилення ґрунтообробної приставки збільшуються менш інтенсивно, а при подальшому збільшенні довжини вони зменшується. Аналіз залежностей показує, що довжина сниці сівалки повинна бути мінімальною з точки зору зниження її коливань.

Дослідженням відхилень сівалки і приставки залежно від довжини її сниці встановлено, що при збільшенні останньої амплітуда коливань системи зменшується.

При збільшенні довжини заднього кронштейна ґрунтообробної приставки до 3,5 м збільшуються відхилення сівалки і самої приставки. Аналіз зміни амплітуди коливань показує, що довжина кронштейна, по можливості, повинна бути найменшою і становить 2,5 м.

При збільшенні маси приставки відхилення сівалки зменшуються. Відхилення приставки знижуються при збільшенні маси до 1200 кг, а при подальшому збільшенні - амплітуда її коливань зростає. Маса сівалки до 2600 кг сприяє зменшенню амплітуди її коливань. Причому коливання приставки знижуються при зменшенні маси сівалки до 1600 кг. А при масі сівалки більше 2600 кг амплітуда коливань для всієї системи збільшується.

Для обґрунтування профілю леза хвильового диска для обробітку ґрунту використовували прямий метод варіаційного числення. У процесі взаємодії диска з ґрунтом на нього діють опір від деформації ґрунту і сили тертя, які є змінною величиною. Тому доцільно розглядати хвилю леза ґрунтообробного диска при найбільшому значенні опору ґрунту на робочу поверхню, яке досягається в момент його максимального заглиблення. Постановка варіаційної задачі формулюється таким чином. Серед кривих, що мають одну загальну граничну точку і другу, яка зміщується по прямій, знайти профіль кривої при заданому куті нахилу дотичної в початковій точці, яка забезпечить мінімальний тяговий опір диска в ґрунті.

3. Програма і методики проведення експериментальних досліджень

Наведена програма експериментальних досліджень, описані лабораторні та польові установки, методики визначення фізико-механічних властивостей ґрунту, проведення лабораторних та польових експериментів.

Для проведення експериментальних досліджень сошникової системи та сівалки прямого сіву складали матрицю планування повнофакторного експерименту з використанням дробних реплік.

Вплив параметрів сошникової системи зернової сівалки на рівномірність ходу сошника на глибину вивчали в лабораторних умовах і оцінювали за допомогою коефіцієнта варіації лінійних відхилень відносно встановленої глибини ходу сошника.

Визначення розподілу тиску ґрунту на поверхні ґрунтообробного ножа визначали в лабораторних умовах через тяговий опір відносно кута його постановки до напрямку руху. Закономірність розподілу тиску ґрунту на робочий орган визначали апроксимацією результатів експериментальних досліджень після знаходження сумарного опору його складових частин. Аналітичну залежність останнього визначили за допомогою метода найменших квадратів.

Енергетичні показники роботи експериментального і серійного дисків визначали в ґрунтовому каналі і оцінювали їх тяговим опором.

Вивчення впливу параметрів сівалки прямого сіву на динаміку її функціонування проводилося в польових умовах з використанням експериментальної машини. Оцінювали амплітуду коливань сівалки через середньоквадратичне відхилення одержаної траєкторії руху агрегату від заданої траєкторії.

Якісні показники роботи сівалки прямого сіву визначали в польових умовах і оцінювали коефіцієнтом структурності ґрунту за відомою методикою.

Порівняльні польові експерименти проводили під час вирощування озимої пшениці за традиційною технологією підготовки ґрунту до сівби. Для посіву використовували сівалку СЗ-3,6 із серійними сошниковими системами і експериментальною.

Виробничі порівняльні випробування експериментальної сівалки прямого сіву проводили при вирощуванні ячменю за прийнятими технологіями з використанням мінімального обробітку ґрунту і прямого сіву. Оцінку ефективності використання експериментальної сівалки визначали за витратами на одиницю отриманої продукції.

Достовірність одержаних результатів перевіряли з використанням методів дисперсійного аналізу і математичної статистики.

4. Аналіз результатів експериментальних досліджень

Щодо ступеня впливу факторів, то найбільший вплив на рівномірність хода сошника має точка кріплення натискної штанги, довжина повідка, жорсткість пружини та швидкість його руху. Такі фактори, як початковий кут нахилу повідка та маса сошника, для заданих інтервалів їх варіювання мають незначний вплив на якість роботи сошникової системи.

Дана залежність використана в математичній моделі для обґрунтування профілю леза хвильового диска для обробітку ґрунту.

Результати досліджень енергетичних показників роботи ґрунтообробного диска показують, що опір серійного диска для обробітку ґрунту становить 63,8 Н, а диска з теоретично обґрунтованим профілем 52,2 Н, що менше на 18 %.

Найбільший вплив на відхилення сівалки від заданої траєкторії руху посівного агрегату має збільшення довжини сниці сівалки. При цьому сила впливу становить 41,1 %. При зниженні маси приставки дисків відхилення сівалки зменшуються на 25,3 %, а при збільшенні маси сівалки - збільшуються із силою впливу 23 %. Довжина сниці приставки з усіх перерахованих факторів має найменший вплив і становить 10,6 %.

Результати експерименту щодо визначення якісних показників роботи сівалки прямого сіву свідчать, що при роботі хвильового диска забезпечується покращення коефіцієнта структурності ґрунту приблизно в 1,9 раза, в порівнянні з необробленим ґрунтом.

У порівняльних польових експериментах сошникових систем вивчали вплив конструкцій сошникових систем і режимів їх роботи на рівномірність ходу сошника за глибиною і можливість виключення операції прикочування при посіві зернових культур експериментальною сошниковою системою (таблиця 1). Експериментальна сошникова система з опорно-прикочуючим котком впроваджена у серійне виробництво сівалки СЗ-5,4-06 (ВАТ „Червона Зірка” м. Кіровоград).

Таблиця 1. Коефіцієнти варіації рівномірності ходу сошника, %

Результати досліджень показують, що при посіві серійною сошниковою системою без прикочування і посіві експериментальною сошниковою системою з збільшенням швидкості руху рівномірність загортання насіння на глибину погіршується в обох випадках. Але при посіві експериментальною сошниковою системою, у порівнянні з серійною, на різних швидкостях рівномірність загортання насіння на глибину підвищується в 1,4...1,8 раза. А з максимальною швидкістю руху в межах досліду рівномірність загортання насіння на глибину краща в 1,2 раза, у порівнянні з серійною сошниковою системою і мінімальній швидкості руху, що дозволяє підвищити швидкість руху при посіві на 46 %. Крім того, вона дає змогу не використовувати таку технологічну операцію, як прикочування посівів. Використання експериментальної сошникової системи забезпечило підвищення врожайності озимої пшениці на 10 %.

Виробничі випробування експериментальної сівалки прямого сіву показали, що її використання, у порівнянні з традиційною технологією посіву, забезпечує зниження собівартості однієї тонни ячменю з 31,4 до 29,9 грн/т (на 4,8 %) і впроваджена в дослідному господарстві Інституту тваринництва УААН при вирощуванні ячменю на площі 55 га.

5. Економічна ефективність результатів досліджень

Підтверджено, що впровадження зернової сівалки з експериментальною сошниковою системою при вирощуванні озимої пшениці сприяє підвищенню урожайності на 8 ц/га та дозволяє вилучити з технологічного процесу операцію прикочування посівів, за рахунок якої зменшуються витрати пального на 1,9 кг/га. Все це дозволяє одержати річний економічний ефект 72 тис. грн. на одну зернову сівалку. Використання експериментальної сівалки прямого сіву у технологіях вирощування ячменю, у порівнянні з традиційними засобами механізації, дозволяє зменшити витрати пального на 25,7 кг/га або 68 %, що забезпечує підвищення рентабельності його виробництва на 16,5 %.

Висновки

сошниковий насіннєвий енергетичний

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в обґрунтуванні параметрів технологічного процесу посіву зернових культур розробленою сошниковою системою з опорно-прикочуючим котком і сівалкою прямого сіву, а також в обґрунтуванні профілю леза хвильового ґрунтообробного диска. Це дозволило впровадити у серійне виробництво на ВАТ „Червона Зірка” (м. Кіровоград) зернову сівалку з розробленими сошниковими системи та впровадити сівалку прямого сіву в дослідному господарстві Інституту тваринництва УААН при вирощуванні ячменю.

1. Проведеним аналізом сучасних технологій вирощування зернових культур встановлено, що найбільш перспективними з точки зору зниження витрат енергії є технології з використанням сівалок прямого сіву. Промисловість України не виготовляє сівалок прямого сіву з дисковими робочими органами, а сівалки закордонного виробництва через високу вартість і відносно низьку універсальність не набули широкого використання у вітчизняних сільськогосподарських підприємствах.

2. Зменшення вартості сівалки прямого сіву приблизно у 10 разів, збільшення ширини захвату на 20 % і надання можливості використання її в різних системах основного обробітку ґрунту, у порівнянні з закордонними аналогами, можна досягти за допомогою дискової ґрунтообробної приставки до вітчизняної серійної сівалки типу СЗ-5,4.

3. Для забезпечення агротехнічних вимог до якості підготовки ґрунту дисковими хвильовими робочими органами сівалки прямого сіву необхідно збільшити допустиму робочу швидкість руху серійної зернової сівалки на 30 %. З цією метою на серійну дискову сошникову систему слід встановити опорно-прикочуючий коток. Експериментально встановлено, що така конструкція сошникової системи забезпечує поліпшення рівномірності загортання насіння на глибину в 1,4...1,8 раза та виключає необхідність проведення технологічної операції прикочування посівів.

4. У результаті дослідження математичної моделі динаміки функціонування сошникової системи з опорно-прикочуючим котком встановлено, що допустима швидкість руху збільшується на 46 % за рахунок зменшення амплітуди її коливань при таких параметрах:

- довжина повідка дискової сошникової системи, при можливості, збільшується до 1,01 м і обмежується конструктивними і технологічними вимогами;

- жорсткість пружини натискної штанги становить 1500 Н/м;

- раціональний кут нахилу повідка сошника дорівнює 75...85°;

- точка кріплення натискної штанги повинна розташовується за вертикальною віссю обертання дисків сошника.

5. Теоретичними дослідженнями динамічних процесів функціонування сівалки прямого сіву визначено, що зниження енергоємності і покращання якості технологічного процесу обробітку ґрунту і посіву за рахунок зменшення амплітуди коливання ґрунтообробної приставки і сівалки у горизонтальній площині досягається при параметрах:

- довжина сниці сівалки - 1,5 м;

- довжина заднього кронштейна ґрунтообробної приставки - 2,5 м;

- довжина сниці приставки - 3,5 м;

- маса ґрунтообробної приставки для сівалки СЗ-5,4 повинна бути в межах 1600...2000 кг;

- маса сівалки - близько 2600 кг.

6. Зменшення тягового опору хвильового ґрунтообробного диска сівалки прямого сіву „Грейт Плейнз” на 18 % забезпечується удосконаленням профілю його леза на основі математичного моделювання процесу взаємодії робочого органу з ґрунтом.

7. Впровадження у виробництво сошникових систем з опорно-прикочуючими котками до серійної зернової сівалки дозволяє одержати річний економічний ефект 72 тис. грн.

Зниження витрат пального на 68 % і підвищення рентабельності вирощування зернових культур на 16,5 % досягається впровадженням у виробництво технологій з використанням сівалки прямого сіву на базі дискової ґрунтообробної приставки та зернової сівалки типу СЗ-5,4.

Сівалка СЗ-5,4-06 з сошниковими системами, обладнаними опорно-прикочуючими котками, поставлена на серійне виробництво на заводі „Червона Зірка” (м. Кіровоград).

Сівалка зернова з ґрунтообробною дисковою приставкою впроваджена в дослідному господарстві Інституту тваринництва УААН при вирощуванні ячменю на площі 55 га.

Література

1. Ким В.В., Дьяконов С.А. Исследование процесса работы сошниковой системы зерновой сеялки // Вісник ХДТУСГ. - Х., 2004. - Вип. 23. - С. 327-331.

2. Ким В.В., Дьяконов С.А. К вопросу обоснования конструктивных параметров сеялки прямого сева // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України // Зб. наук. пр. УкрНДІПВ - Дослідницьке, 2004. - Вип. 7 (21). - С. 349-353.

3. Дьяконов С.А. Обоснование параметров волнистого почвообрабатывающего диска // Вибрации в технике и технологиях. -2004. - № 4 (36). - С 112-113.

4. Ким В.В., Дьяконов С.А. Изыскание путей повышения равномерности заделки семян в почву // Механізація с.-г. виробництва: Вісник ХДТУСГ. - Х., 2004. - Вип. 29. - С.193-196.

Размещено на Allbest.ru