Повышение технологической эффективности работы штригельной бороны путем конструктивного обоснования параметров зуба
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Особенности почвы, как объекта обработки
1.2 Механическая обработка почвы
1.3 Воздействие на сорную растительность
1.4 Классификация борон
1.5 Рабочие органы зубовых и пружинных борон
1.6 Конструкция штригельной бороны
1.7 Патентный анализ рабочих органов для поверхностной обработ-
ки почвы
Выводы. Цель исследования
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Разрушение комков почвы
2.2 Тяговое сопротивление зуба штригельной бороны
2.3 Обоснование технических характеристик рабочего органа штри-
гельной бороны
2.4 Кинематика рабочего органа штригельной бороны
2.5 Модель работы пружинного рабочего органа штригельной боро-
ны
2.6 Предлагаемое решение
Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Методика лабораторных исследований предлагаемого
пружинного зуба
3.2 Методика определения характеристик и силовых воздействий
2
3.3 Методические приемы, использованные в обработке результатов экспериментальных исследований, и устранение погрешностей
измерений
РАЗДЕЛ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Результаты моделирования рациональной геометрической
формы зуба штригельной бороны
4.2 Результаты экспериментальных исследований тензометрирования
4.3 Результаты компьютерного моделирования силовых параметров с обоснованием конструктивных особенностей исследуемого рабочего органа
Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВА-
НИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО БОРОНОВАЛЬНОГО АГРЕГАТА С ПРУЖИННЫМИ ЗУБЬЯМИ, ИЗОГНУТЫМИ В РАБОЧЕЙ ЧАСТИ
Выводы по pазделу
ЗАКЛЮЧEНИЕ
СПИСOК ЛИТЕРAТУРЫ
СПИСOК ИЛЛЮСТРAТИВНОГО МAТЕРИАЛА
ПРИЛOЖЕНИЕ А
ПРИЛOЖЕНИЕ Б
ПРИЛOЖЕНИЕ В
ПРИЛOЖЕНИЕ Г
ПРИЛOЖЕНИЕ Д
Во введении раскрыта актуальность исследования, поставлена цель и задачи
работы, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, приведена методология и методы работы, приведены положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробации работы.
В первом разделе проведен анализ уменьшения урожайности из-за значи- тельной засоренности посевов и способы решения этой проблемы. Боронование на протяжении многих лет остаётся самым простым и доступным методом меха- нической борьбы с сорняками. Боронование почвы применяют во всех системах обработки и для этого используют различные конструкции борон.
Приводится классификация по устройству рабочих органов различных кон- струкций борон, которая подразделяется на: зубовые, пружинные и дисковые, а также представлены конструкции рабочих органов зубовых борон, конструкция и принцип работы штригельной бороны. Приведен патентный анализ существу- ющих конструкций рабочих органов борон и предложен экспериментальный об- разец зуба с изогнутой рабочей частью (патент РФ No 2561533).
Во втором разделе приведен теоретический анализ процесса разрушения почвы и крошения комков, расчет тягового сопротивления зуба штригельной бо- роны, обоснование технических параметров, расчет траектории движения и предложена модель технологического процесса работы.
В исследовании предлагается конструкция пружинного рабочего органа (зуба) с изогнутой рабочей частью представленная на рисунке 1.
Сопротивление почвы, при переме- щении пружинного рабочего органа за- висит от параметров зуба, глубины хода, скорости перемещения и физико-механи- ческих свойств структуры. Это условие действительно для вертикально располо-
женного зуба.
При расчете тягового сопротивле- ния бороны
берется следующее выражение:
F=fσGσ + n3Q, (1) где fσ – коэффициент, учитывающий про- таскивание бороны массой G6 (0,1 − 0,15);
n3 – количество рабочих органов в секции штригельной бороны, шт;
Q – ответная реакция почвы, Н;
Gσ – вес бороны, Н.
В случае, при котором зуб будет двигаться по ходу вращения, проявятся следующие критерии:
1. Рабочий орган совершает вынужденные перемещения вдоль оси x когда возникает действие силы упругости Т, а также возмущающей силы ′ (рисунок 2).
2. Перемещение (колебание) появляется относительно точки в которой крепится рабочий орган.
T = – сSх (2) где с – степень упругости; Sx – сила, которая необходима при разбивании комка: Sx = ƒ(t) (3) На связность, а также упругость почвы влияют заплетения корневых си- стем различных растений. Так называемый слой дернины по глубине изменяется в пределах от 0,05 − 0,26 м. Почву изотропной считать невозможно, так как масса корневых систем уменьшается в процессе углубления. Почва характеризуется изотропностью, в том случае, когда с началом развития возделываемой культуры
задернованности нет.
Рисунок 1 − Спаренные пружинные зубья с цилиндрическими пружинами кручения
Рисунок 2 – Схема ра- боты пружинного рабо- чего органа штригельной бороны: 1 – стержень, 2 – виток пружины
Схема работы пружинного рабочего органа штригельной бороны представлена на рисунке 2. Положение I рабочего органа соответствует исход- ному положению. В данном положении рабочего органа не приложена сила воздействия. Рассмот- рим позицию II, когда рабочий орган воспринимает на рабочий участок воздействие сил.
Рассмотрим случай, когда под действием
силы Т рабочая часть зуба будет отклонятся от вер- тикальной оси на какое-то расстояние (расстояние можно считать прямолинейным).
Для разрыхления почвы подберем круглый металлический стержень. В данном примере рабо- чий орган будет располагаться вертикально. Во время работы стержень может под каким-то углом отклоняться от вертикали.
При движении рабочий орган штригельной бороны начнет отклонятся. Это отклонение приобретет значение большее 90o. Получившийся угол β пока- зан на рисунке 3б. Лобовой частью рабочий орган действует на почву с силой R.
При движении рабочего органа возникает ответная реакция почвы R’. Эта сила R’ будет иметь две составляющие. Первая часть: это сила R’x, параллельная оси х. Эта реакция возникает в почве, в которой находятся корни различных рас- тений T’. Вторая реакция – это тяговое сопротивление рабочего органа (R’z). Такая сила выталкивает рабочий орган из почвы, и она направлена вертикально.
На рисунке 3а показана форма сечения борозды. Такая форма борозды по-
лучается при проходе рабочего органа штригельной бороны. Подошва у такой борозды будет соответствовать ширине (диаметру) рабочего органа (стержня). Угол Ɵ = 25 – 55° будет соответствовать склону борозды.
Рисунок 3 – Схема технологического процесса рыхления (а) и действующих сил (б) на пружинный рабочий орган
Реакция почвы Т обуславливается внутренним трением почвы и она будет пропорциональна нормальной нагрузке. Реакция почвы дополнительно будет складываться из взаимного сцепления комочков почвы. Из уравнения Кулона можно найти сопротивление сдвигу Т почвы, которая представлена далее:
Т = f’Fn+ Cm, (4)
где f’ – коэффициент внутреннего трения почвы (движение почвы о почву), без- размерная величина;
Fn – сила нормального давления, Н; Cm– силасцеплениячастицпочвы,Н.
Данная реакция определяется из совместного сцепления частиц при одинако- вом состоянии почвы и регулируется по величине нормального давления, струк- туры, механического состава, плотности, влажности (почвы).
Также данная сила определяется из реакции разрыву корней растений, находящихся в почве.
Исходя из того, что сила Ст меняется от нескольких причин, подразделяем их на две группы.
Ст=Q1 +Q2, (5)
где Q1 – сила для перемещения почвы о почву. Q2 – сила разрыва корешков растений.
В данном случае корешки будут находится в исследуемом объеме почвы. Для дальнейшего определения Q2 можно обозначить как Qc (реакция сопро- тивления разрыву корешков сорных растений), и соответственно Qвк (реакция со-
противления разрыву корешков возделываемых культур).
T’= Tвк +Тс (6)
Возделываемая культура: Tвк = f’Fn + Q1 + Qвк (7) Сорняки: Тс =f’Fn + Q1 + Qc, (8) (kah+ f’Fn+ Q1 + Qc)
Актyальность темы исcледования.
По дaнным различных исследований [69, 102], бороны с пружинными зубьями являются наиболее оптимальными для обработки всходов, а также со- хранения стерни. Так, во время эксплуатации штригельной бороны возделывае- мые культуры извлекают из почвы больше влаги.
Дополнительным положительным результатом использования бороноваль- ных агрегатов с пружинными рабочими органами является тенденция снижения затрат на средства для химпрополки. Механические средства уничтожения сор- ных растений, в частности, использование штригельной бороны является более перспективным для экономии [98]. Перспективными в разработках являются во- просы влияния боронования на урожайность возделываемых культур.
У штригельной бороны существуют недостатки, которые проявляются в ви- де большой травмированности посевов при проведении весеннего боронования. Это происходит из-за присутствия больших колебаний. Эти колебания появляют- ся в нижней части рабочего органа в поперечной плоскости, что в итоге увеличи- вает травмированность обрабатываемых культур и уменьшает количество получа- емой продукции.
Совершенствование выбора оптимальной геометрической формы рабочего органа штригельной бороны является актуальной темой для исследования.
Степень разработанности темы.
Существует целый спектр научных работ, посвященных выбору средств и технологий боронования. Эти работы посвящены применению новых бороно- вальных агрегатов. Данные исследования охватывают устройство и применение борон с пружинными рабочими органами [10]. Много существует разработок по конструкциям рабочих органов (зубьев) пружинных борон, работающих по сколь- зяще-режущему принципу [102]. Разработкой качественно новых бороновальных агрегатов для поверхност- ной обработки почвы и анализом современных конструкций занимались такие ученые, как П. Г. Аркулов, И. М. Бартенев, И. Б. Борисенко, А. Ф. Жук, С. В. Ка- дыров, С. И. Камбулов, Ю. К. Киртбая, Ф. А. Соколов, А. Ю. Несмиян, П. Е. Ни- кифоров, Н. И. Джаборов, А. В. Сюмак, Ю. П. Кириленко, Г. Г. Маслов, Е. И. Трубилин и другие ученые.
Во время исследования сопоставлялись данные, которые несомненно направляли к реализации вопроса создания формы пружинного зуба, уменьшаю- щей повреждаемость возделываемой культуры.
Цель исследования.
Повышение технологической эффективности работы штригельной бороны для весеннего закрытия влаги и послевсходовой обработки путем конструктивно- го обоснования параметров зуба.
На основе поставленной цели, анализа состояния вопроса необходимо ре- шить следующие задачи исследования:
1. Провести анализ влияния конструктивных параметров пружинных ра- бочих органов борон на технологический процесс обработки почвы с целью обоснования конфигурации нового пружинного зуба;
2. Усовершенствовать технологический процесс послевсходового бороно- вания и разработать конструкцию пружинного зуба с изогнутой рабочей частью.
3. Разработать теоретические зависимости, определяющие конструктив- ные параметры и процесс работы экспериментального пружинного зуба штригельной бороны и получить экспериментальные зависимости, определяющие конструктивные параметры, влияющие на технологиче- ский процесс работы данного рабочего органа;
4. Провести лабораторно-полевые исследования секции штригельной бо- роны с экспериментальными образцами рабочих зубьев; 5. Установить экономическую эффективность использования штригель- ной бороны с экспериментальными рабочими органами.
Предмет исследований.
Закономерности влияния параметров пружинного рабочего органа экспери- ментальной модели штригельной бороны на качество послевсходового боронова- ния.
Объект исследований.
Технологический процесс поверхностной обработки почвы, выполняемый штригельной бороной с экспериментальными рабочими органами.
Научная новизна.
1. Усовершенствованный технологический процесс послевсходового бо- ронования за счет применения пружинного зуба с изогнутой рабочей частью (патент РФ на изобретение No 2561533).
2. Математические зависимости влияния конструктивных параметров пружинного зуба с изогнутой рабочей частью на среду воздействия.
3. Обоснована кривизна зуба с изогнутой рабочей частью с анализом раз- мерных характеристик, учитывая площадь обработки почвы с сохране- нием корневой системы обрабатываемой культуры.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Получены зависимости определяющие характеристики пружинного рабоче- го органа, изогнутого в рабочей части, а также возможности его использования при весеннем закрытии влаги и послевсходового боронования.
Практическая значимость заключается в применении, разработанного пру- жинного зуба с изогнутой рабочей частью для весеннего закрытия влаги и по- слевсходовой обработки.
Методология и методы исследований. Для исследований использовались методы прикладной и теоретической ме- ханики, помимо этого, применялась математическая статистика с аналитической геометрией. Проведенные полевые исследования соответствовали ГОСТ и отрас- левым стандартам (СТО АИСТ 1.3-2010, СТО АИСТ 10 4.6-2003, ГОСТ 20915- 2011, ГОСТ Р 52778-2007, ОСТ 10.4.2-2001 [26, 27, 70, 72, 89, 90]), которые соот-
ветствовали разработанным методам для специально спроектированной и подго- товленной лабораторной установки. Результаты были обработаны с применени- ем программ MathCad, MicrosoftExcel, КОМПАС 3D.
Положения, выносимые на защиту:
1. Усовершенствованный технологический процесс весеннего закрытия влаги, послевсходовой обработки и схема работы модернизированного пружинно- го рабочего органа с изогнутой рабочей частью.
2. Методика расчета кривизны пружинного зуба штригельной бороны и методика подбора геометрии изогнутой части рабочего органа.
3. Экономическая эффективность использования экспериментальной мо- дели пружинного рабочего органа штригельной бороны.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность исследований обеспечивается сходимостью результатов ла- бораторных и теоретических исследований, а также полученными результатами испытаний на полях УНПЦ «Горная Поляна». Научные положения, рекомендации и выводы диссертационной работы были представлены на научно-практических конференциях: Международной научно-практической конференции «Поиск инно- вационных путей развития земледелия в современных условиях» (Волгоградский ГАУ 2014 г.); Международной научно-практической конференции, посвященная 120-летию со дня рождения К. Г. Шульмейстера (Волгоградский ГАУ 2015 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию по- беды в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг. «Стратегическое развитие АПК и сельских территорий РФ в современных международных условиях» (Вол- гоградский ГАУ 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Стратегические ориентиры инновационного развития АПК в современных эко- номических условиях» (Волгоградский ГАУ 2016 г.); Международной научно- практической конференции «Эколого-мелиоративные аспекты рационального природопользования» (Волгоградский ГАУ 2017 г.); Международной научно- практической конференции «Экологические аспекты использования земель в со- временных экономических формациях» (Волгоградский ГАУ 2017 г.); Междуна- родной научно-практической конференции «Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического развития АПК и сельских территорий» (Волгоградский ГАУ 2018 г.); конференции «Оптимизация сельскохозяйственно- го землепользования и усиление экспортного потенциала АПК РФ на основе кон- вергентных технологий» (Волгоградский ГАУ, 2020 г.) .
На ОАО «Волгоградский электромеханический завод» была принята техни- ческая документация на изготовление опытной партии пружинных рабочих орга- нов к бороне пружинно-зубовой серии АБ.
По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 работы в рецензиро- ванных научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 работа в изданиях, индексируемых в международной наукометрической базе Scopus, 1 па- тент РФ No 2561533, остальные в других журналах, сборниках материалов конфе- ренций. Совокупный объем напечатанных работ составляет 7,72 п. л., в том числе автора − 4,79 п. л.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из оглавления, введения, основной части, содержащей пять разделов, а также заключения, списка литературы и списка иллюстративного материала. Объём диссертации составляет 146 страниц. Результаты исследований представлены 60 рисунками и изложены в 17 таблицах. Дополнительно на 26 страницах в диссертации изложены приложения. Список литературы содержит 119 наименований, из которых 5 − иностранные источники.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (285 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
5 (8 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.8 (37 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
