«ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ДИСКОВЫМ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИМ ОРУДИЕМ ...»

из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

А5аев, Василий Васильевич

1. Параметры текнолозическозо процесса оБраБотки

почвы дисковым почвооБраБатываютцим орудием

1.1. Российская государственная Библиотека

diss.rsl.ru

2003

Л5аев, Василий Васильевич

Параметры текнологического процесса

о5ра5отки почвы дисковым почвоо5ра5атываю1цим

орудием [Электронный ресурс]: Дис....

канд. теки, наук

: 05.20.01.-М.: РГЕ, 2003 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Сельское козяйство — Меканизация и электрификация сельского козяйства — Тракторы, сельскокозяйственные машины и орудия — Почвоо5ра5атываю1цие машины и орудия — Типы U виды плугов — Дисковые.

Текнологии и средства меканизации сельского козяйства Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/03/1102/031102001.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, накодятцемуся в фонде РГБ:

Л5аев, Василий Васильевич Параметры текнологического процесса о5ра5отки почвы дисковым почвоо5ра5атываю1цим орудием Краснодар Российская государственная Библиотека, год (электронный текст).

Ш: ov-fA^^v кУБА}д:кии ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АБАЕВ Василий Васильевич УДК 631.316.

ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГР1ЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ДИСКОВЫМ

ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИМ ОРУДИЕМ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ТРУБИЛИН Евгений Иванович.

Краснодар,

СОДЕРЖАНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ технологий обработки почвы под посев повтор­ 1.2. Обзор методов подхода к решению задач минимизации 1.3. Анализ теоретических исследований дисковых сфериче­ ских рабочих органов почвообрабатывающих орудий 1.4. Методы определения энергетической эффективности ро­ 1.5. Выявление перспективного направления исследования и

2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Программа теоретических и экспериментальных иссле­ 2.2. Методика разработки конструктивной схемы ротацион­ 2.3. Методика проведения полевого факторного эксперимен­

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕН­

ТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

3.1. Синтез принципиальной конструктивной схемы ротаци­ 3.2. Результаты исследования работоспособности разрабо­ 3.3. Результаты теоретических исследований закономерно­ стей взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой 3.4. Теоретическое обоснование радиуса дисков 3.5. Математическая модель закономерностей изменения ра­ 3.6. Математическая модель производительности агрегата 3.7. Результаты оптимизации параметров агрегата

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТА­

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНР1Я ПРОИЗВОДСТВУ

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных источников повышения эффективности сельскохозяй­ ственного производства являются повторные посевы. В Краснодарском крае посевы таких культур занимают до 300 тыс. га, из них кукуруза - около 90 % Целью обработки почвы под повторный посев кукурузы на зеленый корм является качественная разделка почвы, измельчение пожнивных остат­ ков и их равномерное распределение в обрабатываемом слое, сохранение поч­ Трудности качественной обработки слитых черноземов Кубани при подготовке их к посеву пожнивной кукурузы обусловлены высоким сопро­ тивлением почвы и образованием больших почвенных глыб после отвальной вспашки. Для измельчения глыб требуется производить несколько проходов по полю тяжелых машинно-тракторных агрегатов, которые в большинстве случаев оборудованы примитивными энергонеэффективными самодельными приспособлениями: движки-волокуши, изготовленные из рельс или труб с на­ варенными на них зубьями и т. п. Это приводит к чрезмерному уплотнению почвы, потере влаги, высокому потреблению энергии.

Дисковые почвообрабатывающие рабочие органы позволяют получать высокие урожаи пожнивной кукурузы, но применение существующих диско­ вых почвообрабатывающих орудий требует проведения многократных (трех и более) проходов агрегатов по полю. На засоренных полях происходит нама­ тывание растительности на дисковые батареи, имеющие одну общую ось.

Исследование проводилось в соответствии с планом НИР КГАУ на 2001-2005 г.г. по теме П. «Разработать и внедрить рабочие органы для энер­ госберегающих технологий», подраздел 11.1.4. «Совершенствование технолоц' : гий, технических средств и рабочих органов почвообрабатывающих машин».

Цель работы - теоретическое исследование и экспериментальное обос­ нование оптимальных значений конструктивных параметров дискового поч­ вообрабатывающего орудия Предмет исследования - взаимосвязи и закономерности технологиче­ ского процесса обработки почвы дисковым почвообрабатывающим орудием.

Объект исследования - технологический процесс обработки почвы дисковым ротационным почвообрабатывающим агрегатом.

Методы исследований предусматривали синтез принципиальной ком­ поновочной схемы дискового ротационного почвообрабатывающего орудия методами морфологического анализа, разработку математической модели взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой и последующие экспериментальные исследования на основе планирования многофакторных экспериментов и регрессионного анализа опытных данных с использованием ПЭВМ.

Научную новизну составляют:

• синтез принципиальной конструктивной схемы ротационного поч­ вообрабатывающего орудия, с использованием комбинаторных методов поис­ ка новых технических решений;

• закономерности взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой с учетом отклонения вектора реакции почвы на рабочий орган от на­ правления вектора его абсолютной скорости;

• математические модели закономерностей изменения эксплуатаци­ онных показателей ДРПА.

Практическую значимость составляют:

• конструкция дискового ротационного почвообратывающего орудия;

• оптимальные режимы работы и параметры дискового ротационного почвообрабатывающего орудия;

• режимы работы ротационного почвообрабатывающего орудия.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ технологий обработки почвы под посев повторных культур 1.1.1. Почвенно-климатические условия Краснодарского края весьма благоприятны для выращивания поукосных и пожнивных культур [2, 8, 15, 115]. В крае посевы таких культур занимают до 300 тыс. га. Наиболее рас­ пространенной культурой повторных посевов, занимающей около 90 % от всей площади, является кукуруза [2, 98].

Почву под пожнивные посевы обрабатывают в период высоких тем­ ператур и низкой относительной влажности воздуха.

О. • ' " 0Месяцы Рис. 1.1. Динамика среднесуточных температур и количества осадков в Это приводит к ее быстрому иссушению, особенно при глубоких от­ вальных обработках. В связи с этим сложилось мнение, что почву под пож­ нивные культуры следует рыхлить мелко [36].

В работе [36] на основе анализа различных способов обработки почвы под посев пожнивных культур отмечается, что в предгорных районах Север­ ного Кавказа^лучше обеспеченных влагой, основным способом обработки почвы является отвальная пахота на 0,18-0,22 м с боронованием и прикатыванием. При недостатке влаги необходимо применять лущение на глубину 0,13-0,17 м с боронованием и прикатыванием.

В степных районах Северного «Кавказа, где в летний период осадков выпадает мало, лущение проводят на 0,13-0,17 м с боронованием и прикаты­ ванием. В благоприятные по влажности годы и при орошении проводят от­ вальную пахоту на 0,18-0,22 м и глубже с боронованием и прикатыванием.

В неблагоприятные по влажности годы под пожнивные посевы более эффективно лущение почвы лемешными лущильниками или тяжелыми дис­ ковыми боронами на 0,13-0,17 м по сравнению с отвальной пахотой на 0,18м.

Для лучшего сохранения почвенной влаги иногда одновременно со скашиванием предшественника ? проводят лущение почвы между валками на глубину 0,06-0,08 м дисковыми лущильниками. Занятая валками полоса рых­ лится лущильником, прицепленным к комбайну, подбирающему валки.

Вслед за сволакиванием соломы почва пашется на глубину 0,16-0,22 м [75].

Под руководством доктора сельскохозяйственных наук Н. И. Перегудова были проведены опыты по установлению влияния различных способов обработки почвы на урожай пожнивной кукурузы, результаты которых при­ ведены в таблице 1.1 [75]^ При этом установлено, что лущение дисковыми лущильниками обес­ печивает повышение урожая зеленой массы в среднем на 5,5 % по сравнению со вспашкой на 20-22 м Таблица 1.1.Зависимость урожайности пожнивной кукурузы от способа обработки почвы (по результатам 5-летних исследований) [75] Вспашка на 0,20-0,22 м (кон­ Лущение корпусным лу­ щильником на 0,12-0,14 м.

Лущение дисковым лущиль­ ником на 0,07-0,10 м.

Однако в отдельные годы дискование не дает положительных резуль­ татов из-за того, что эти орудия не обеспечивают хорошей разделки верхнего слоя почвы. Диски неравномерно заглубляются, в результате чего почва мес­ тами быстро пересыхает, что приводит к получению неровных и недружных всходов или даже к полной их гибели.

Опыты, проведенные на Краснодарской опытной станции по живот­ новодству, показали, что применение мелкой и глубокой вспашки с оборотом пласта в сухие годы снижает урожай пожнивных культур. Обработка почвы дисковыми лущильниками на глубину 0,08-0,12 м дала возможность полу­ чить хороший урожай зеленой массы пожнивной кукурузы — 106 ц/га против 71,2 ц/га при вспашке на глубину 0,14-0,16 м и 68,3 ц/га - при вспашке на 0,20-0,22 м. Вследствие сухости почвы пахота получалась глыбистой, а заде­ ланные пожнивные остатки усилили просыхание почвы. Несмотря на ее прикатывание после посева, всходы получились недружными, тогда как после дискования они были более равномерными.

Пожнивная кукуруза, посеянная после дождя на поле, вышедшем изпод озимой пшеницы на зерно, дала урожай зеленой массы: при дисковании на глубину 0,08-0,10 м - 112,4 ц/га, а при вспашке на 0,20-0,22 м - 146 ц/га.

Снижение урожая кукурузы при дисковании объясняется тем, что в этом случае верхний увлажненный слой почвы быстрее теряет влагу, чем при за­ пашке его на глубину 0,14-0,18 м [75].

На основании изложенного можно заключить, что в подготовке почвы под пожнивные посевы шаблона не может быть. В сухую погоду лучше при­ менять мелкую обработку почвы, а влажР1ую почву следует обрабатывать глубоко с оборотом пласта [32,36, 49, 70, 75, 109, 115].

1.1.2. Для получения дружных всходов необходимо хорошо рыхлить верхний слой почвы. С этой задачей успешно могут справляться ротацион­ ные культиваторы, которые также способствуют повышению урожая. На участках, обработанных ротационными рабочими органами, всходы кукуру­ зы появляются на 3-5 дней раньше, чем на вспаханных, и развиваются быст­ рее [84].

По данным профессора Блажнего Е. С, слитые черноземы Краснодар­ ского края занимают 205 тыс. га [10]. Установлено, что применение ротаци­ онных почвообрабатывающих орудий на таких почвах дает положительный эффект за счет увеличения воздухоемкости обработанного слоя.

Биологическая активность почвы в большинстве случаев находится в прямой корреляционной взаимосвязи с плодородием почвы и урожайностью растений. На это обращал внимание еще в конце прошлого столетия русский агроном Овсинский И. Е. Он, перечисляя достоинства так называемой «новой системы земледелия», включающей мелкую обработку на глубину 0,05 м, писал, что бактерии при этом находят самые благоприятные условия для сво­ его развития в почве и, очень быстро размножаясь, «приспособляют землю к плодородию» [61].

Результаты микробиологических исследований, приведенные в табли­ це 1.2, показывают, что наиболее благоприятные условия для микроорганиз­ мов складываются в результате активного крошения и перемешивания почвы фрезой на глубину 0,15 м. Дискование дало несколько худшие результаты изза меньшей глубины обработки почвы, слабого измельчения растительных остатков и перемешивания их с почвой.

Таблица 1.2.Численность микроорганизмов в почве Способ обработки 1.1.3. в последние 20-30 лет в сельском хозяйстве России серьезно обострилась проблема почвенного плодородия. Это вызвано тем, что в тече­ ние продолжительного времени в сельскохозяйственном производстве ак­ тивно применялись интенсивные технологии сельскохозяйственных культур, основанные на широком применении средств химизации и комплексе интен­ сивных обработок почвы. Вынос питательных веществ не компенсировался пожнивными и растительными остатками, вносимыми органическими удоб­ рениями. Это привело к деградации почв [2].

Наиболее отчетливо это проявилось в южных регионах России, вклю­ чая и Краснодарский край. В почвах Краснодарского края в среднем за год содержание гумуса снижается на 0,03 %. Если учесть, что накопление гумуса идет сотни и даже тысячи лет, а разрушение значительно быстрее (десятки лет), то проблема сохранения его запасов в почве является актуальной и достаточно сложной. В качестве дополнительного источника органических удобрений, как доказано многочисленными исследованиями, весьма эффек­ тивны измельченная солома и стебли других сельскохозяйственных культур.

Многолетними исследованиями коллектива ученых Кубанского государст­ венного агроуниверситета под руководством профессоров Е. И. Трубилина, Н. Г. Малюги и F. Г. Маслова установлено, что заделку незерновой части урожая наиболее целесообразно осуществлять по технологии, при безотваль­ ной обработке почвы с перемешиванием измельченной незерновой части урожая с почвой на глубину 0,10-0,12 м ротационными почвообрабатываю­ щими рабочими органами бесприводного типа или почвенными фрезами.

При этом также было установлено, что нерационально использовать для за­ делки незерновой части урожая дисковые бороны или лемешно-отвальные плуги, так как они обеспечивают некачественное перемешивание раститель­ ных остатков с почвой [1,2, 32, 36, 37, 48, 49, 56, 57, 61, 70, 75, 76, 89, 96, 98, 101, 102, 103, 104, 107, 109, 114, 115].

Имеющийся материал позволяет сделать следующие выводы:

1. Подготовка почвы под посев пожнивной кукурузы на Кубани осу­ ществляется в наиболее засушливый период года, когда средняя многолетняя температура составляет 23-26 ^С, а относительная 2. Обработка почвы под пожнивные культуры должна способствовать сохранению влаги и получению дружных всходов.

3. Обработка почвы под посев пожнивной кукурузы зависит от по­ годных условий, в сухую погоду наилучшие результаты получают­ ся при безотвальной обработке почвы на глубину 0,12-0,15 м.

4. Ротационные машины (почвенные фрезы) обеспечивают качест­ венную разделку почвы, что способствует получению дружных всходов, повышает плодородие почвы за счет хорошего перемеши­ вания растительных остатков с почвой на глубину 0,10-0,15 м, но использование этих машин сдерживается их высоким энергопо­ треблением и низкой производительностью.

5. Дисковые почвообрабатывающие орудия (бороны и лущильники) менее энергоемки и более производительны по сравнению с почвофрезами, но обеспечивают менее качественную разделку почвы, измельчение и перемешивание с почвой растительных остатков при недостаточной глубине обработки.

1.2. Обзор методов подхода к решению задач минимизации затрат энергии Известно, что в силу диалектичности природы всякое явление мате­ риального мира раздваивается на взаимоисключающие противоположно­ сти, и взаимодействие между ними является движущей силой всякого дви­ жения, развития, прогресса. Чтобы правильно понять сущность любого процесса, явления, законов его развития, необходимо уметь выделить диа­ лектические противоречия этого явления и найти способы их разрешения.

Разрешение каждого противоречия будет шагом, «скачком» на пути разви­ тия. Это универсальное правило в полной мере относится и к процессу почвообработки.

Конечной целью сельскохозяйственных работ является получение максимального урожая с минимальными затратами. Для того, чтобы полу­ чить высокий урожай, необходимо в сжатые сроки и с высоким качеством провести подготовку почвы к посеву. Но высокая интенсивность процесса обработки почвы требует значительных энергозатрат, это явление очевид­ но и неизбежно, ведь, например, кинетическая энергия является функцией второй степени скорости.

Именно в этом и заключается основное диалектическое противоре­ чие почвообработки: с одной стороны - необходимо стремиться к повы­ шению качества обработки почвы, а с другой— необходимо стремиться к снижению затрат на ее проведение.

ПОВЫШЕНИЕ СНИЖЕНИЕИЕ

КАЧЕСТВА ЗАТРАТ

ОБРАБОТКИ НА ОБРАБОТКУ

ПОЧВЫ ПОЧВЫ

Рис. 1.1. Основное диалектическое противоречие почвообработки Сложились три основных способа разрешения основного диалекти­ ческого противоречия обработки почвы дисковыми почвообрабатываю­ щими орудиями:

1. Совершенствование конструкций рабочих органов.

почвообрабатывающих машин.

3. Оптимизация схемы расстановки рабочих органов.

Решение этих задач проводилось экспериментально-теоретически или чисто эмпирически.

Рабочие органы находятся в непосредственном контакте с обраба­ тываемой почвой, воспринимая ее сопротивление. При этом возникает ес­ тественное желание изменить их конструкцию таким образом, чтобы со­ противление почвы уменьшилось, а качество обработки улучшилось, или хотя бы не ухудшилось. Поэтому многие исследователи шли по первому пути разрешения основного диалектического противоречия почвообработ­ ки [19, 38,41, 42,43,50, 51, 80,91, 93, 97, 108, 113, 121].

Однако, после разрешения основного диалектического противоре­ чия почвообработки по первому способу возникают новые противоречия.

В частности, между усовершенствованной конструкцией рабочего органа и устаревшей конструкцией самого культиватора. Старая конструкция куль­ тиватора не дает новым рабочим органам в полной мере реализовать свои потенциальные возможности.Можно заключить, что первый способ разрешения основного диа­ лектического противоречия почвообработки является неполным, однобо­ ким. Несистемный характер первого способа не дает возможности в пол­ ной мере реализовать положительные качества, заложенные в конструк­ цию новых рабочих органов.

Вторым способом разрешения основного диалектического противо­ речия почвообработки является улучшение конструктивных элементов машины в целом [12, 13, 16, 22, 23, 27, 29, 34, 41, 42, 64, 65, 66, 67, 68, 92, 94, 95, 96, 110, 112, 118, 119, 122, 127].

Как и в первом случае, после разрешения основного диалектическо­ го противоречия по второму способу, возникают новые, вторичные проти­ воречия, например, между усовершенствованной конструкцией машины и устаревшей конструкцией рабочего органа.

Поэтому целесообразно искать комплексные, системные пути раз­ решения основного диалектического противоречия почвообработки, кото­ рые позволяют определить оптимальные значения конструктивных пара­ метров орудия в результате системного анализа процесса взаимодействия рабочей машины и обрабатываемого материала при агрегатировании с трактором конкретной марки.

1.3. Анализ теоретических исследований дисковых сферических рабочих Вращение рабочих органов является основным отличительным при­ знаком ротационных почвообрабатывающих мащин и орудий. Совокупность ротационных рабочих органов и устройство, на котором они закреплены, на­ зывают ротором.

Важнейшим признаком, характеризующим ротационные машины и орудия, является расположение оси вращения ротора в пространстве. Про­ фессор Ф. М. Канарев приводит их классификацию по этому признаку (см.

рис. 1.3.) [41, 42,].

Рис. 1.3. Классификация ротационных машин и орудий по расположе­ нию оси вращения; А - горизонтально-поперечное; Б - вертикальное; В продольное; Г - повернутое; Д — поперечно-наклоненное; Е — наклоненное;

Оси дисковых лущильников и борон обычно повернуты к направле­ нию движения агрегата под определенным углом. Следовательно, их роторы относятся к классу F.

У дискового плуга ось вращения дисков не только повернута к на­ правлению движения пахотного агрегата, но и наклонена к вертикали, следо­ вательно, ротор дискового плуга относится к классу Ж. Такая установка дис­ ка позволяет добиться наиболее интенсивного воздействия рабочего органа на обрабатываемую почву, поэтому нас в первую очередь интересовал имен­ но этот вариант установки диска.

Приведенная классификация охватывает всю совокупность возможно­ го расположения оси вращения роторов в пространстве и, таким образом, об­ легчает систематизацию теории.

Теоретическим исследованиям дисковых сферических почвообраба­ тывающих рабочих органов посвящены исследования таких ученых как (В.

П. Горячкин, Ф. М. Канарев, И. М. Панов, Нерли, Г. И. Синеоков, Хачатрян, В. В. Богатырев, В. С. Василинин, П. С. Нартов, Гордон, Тейлор, Е. А. Кочкин и др.

Наиболее ранними из выявленных исследований сферических дисков являются работы профессора N. Nerli [122]. Он определил момент сил тре­ ния JVL полностью заторможенного сферического диска:

где f - коэффициент трения почвы о поверхность диска;

Р - удельное давление;

^ - расстояние от центра диска до точки приложения равнодействующей сил сопротивления.

Тангенциальную составляющую S реакции почвы на рабочую по­ верхность диска N. Nerli определил из выражения:

в результате расчетов по формуле (1.2) он установил, что по сравне­ нию с полностью заторможенным диском, когда тангенциальная составляю­ щая составляет свободно вращающийся сферический диск подвергается воздействию тан­ генциальной составляющей, величина которого меньше в несколько раз:

N. Nerli сделал вывод о том, что вращение диска уменьшает коэффициент трения f до величины fy, которую он назвал "истинным коэффициентом трения":

При этом все расчеты проводились с допущением, что давление поч­ вы на диск распределяется равномерно и диск погружен в почву до полови­ ны.

Баланс сил, по мнению N^Nerli, в проекциях на продольную ось имеет вид:

Где Г - тяговое сопротивление агрегата;

Г/ — сопротивление самопередвижения (холостого хода);

Т2 - отделение пласта;

T — сопротивление, обусловленное трением и адгезией почвы и поверх­ ности диска;

7j — сопротивление, обусловленное трением в оси вращения диска;

Тб — сопротивление, обусловленное разрушением пласта и перемешива­ нием почвенных частиц;

Г/ — сопротивление, обусловленное сообщением пласту кинетической энергии;

Гд — сопротивление, обусловленное случайными факторами.

В рассматриваемой работе приводится методика расчета составляющих баланса сил (1.7) Г/ - Tj.

Полевые опыты проводились на рыхлых почвах, с целью уменьшения трех последних составляющих, расчеты выполнены для того же случая. При­ менялся диск диаметром 0,61 м, угол атаки составлял 53°, угол наклона 24°, ширина захвата 0,34 м, глубина обработки 0,25 м.

Основоположник земледельческой механики В. П. Горячкин исследовал движение почвы по поверхности сферического диска [27], переходя к нему от плоского и трехгранного клина. Горизонтальная составляющая Р реакции почвы на диск определялась исходя из нормальной реакции Л^:

где X — угол между нормалью к диску и направлением движения.

Г. Н. Синеоков [93, 94, 95] исследовал геометрию сферических дисков, так как она является решающим фактором обеспечения их работоспособно­ сти. Он рассмотрел некоторые вопросы кинематики, дал основные соотно­ шения, необходимые при проектировании дисковых орудий, исходя из ана­ лиза экспериментальных данных. Рекомендуется угол постановки диска к направлению движения принимать равным 35М5°, угол заточки по условиям прочности и износоустойчивости должен быть не менее 10°-15°, а задний угол - 3°-5°.В результате рассмотрения кинематики плоских и сферических дисков, автор приходит к выводу, что резание лезвием свободно вращающе­ гося диска происходит без скольжения.

X. А. Хачатрян рассматривал движение сферического диска как сложное перемещение в направлении поступательного движения и вращение вокруг оси [108]. Принимая предположение, что диск катится со скольжением, в ре­ зультате чего траектория движения его точек представляет собой удлинен­ ную циклоиду, автор получил уравнение движения в проекциях на непод­ вижные координатные оси:

y=R cos (p cos a-r sin ©(sin a+cos 0 sin j3}i-{r-hAr)sm J3; (1.9) z = [(r+Ar)-r cos ©Jcos/? - (r+Ar} где 0 - угол поворота диска;

f - радиус кривизны диска;

(r+Arj - фиктивный радиус окружности, по которой диск катится без скольжения;

R -радиус сферы диска;

(р - центральный угол.

При этом дифференциальное уравнение движения частицы почвы по ра­ бочей поверхности сферического диска в неподвижных координатах имеет вид:

где Л^ - нормальная реакция поверхности;

g - ускорение свободного падения;

У - коэффициент трения;

V - скорость движения почвенной частицы;

V,V,V - проекции скорости частицы на неподвижные координатные оси.

Рассматривая движение частицы по поверхности сферы без учета коэф­ фициента трения у, автор определил нормальную реакцию N и ускорение частицы почвы, допустив, что величина деформации прямо пропорциональна ускорению. Уравнения абсолютного движения частицы почвы, взаимодейст­ вующей с рабочей поверхностью диска, в неподвижных координатах состав­ лены для случая, когда N=COnst. Расчет тягового сопротивления дисковых плужных корпусов с учетом распространения упругих волн в почве продела­ ли [16] Gupta С. Р. и Pandya А. С. Учитывались потери на трение между час­ тицами почвы, происходящие в результате возникновения волн под действи­ ем движущегося рабочего органа. Энергетический баланс дискового орудия складывается, по мнению авторов, из затрат:

Ei — на сжатие почвы перед диском;

Ег - на резание;

Ез — кинетическая энергия вращающегося диска;

Е4 - кинетическая энергия отбрасываемого пласта;

Ез - на преодоление сил трения почвы по диску;

Еб - на подъем пласта;

Ej - на изгиб пласта;

Eg - на преодоление трения в подшипнике.

Предложены формулы для вышеперечисленных составляющих и произ­ веден расчет по ним. Утверждается, что более 66 % суммарных затрат энергии составляют затраты на сжатие почвы перед диском и более 30 % - на преодоление сил трения почвы о диск. Менее 3 % составляют затраты по ос­ тальным шести составляющим.

Расход энергии на сжатие, почвы перед диском с учетом рассеяния и возникновения упругой волны рассчитывался по формуле:

где СС и Р ' углы атаки и наклона диска;

/ - пройденный путь;

С - скорость распространения волны в почве;

V - скорость перемещения орудия;

А J - площадь сечения пласта.

Потери энергии на преодоление сил трения диска о почву:

где Ц - коэффициент трения почва-металл;

g - ускорение силы тяжести;

Щ - угол между касательной к поверхности диска в центре приложения сил и горизонталью;

Г - радиус кривизны диска;

Q - поперечная составляющая силы тяги:

где (У - напряжение динамического сжатия;

Сt - толщина диска.

При определении величины угла ^ использовалось уравнение:

Значительное число работ П. С. Нартова посвящено исследованиям дис­ ковых почвообрабатывающих рабочих органов [64, 65, 66, 67, 68]. Анализ скоростей движения почвенной частицы в различных зонах соприкосновения с диском позволил ему сделать вывод о том, что вращение диска, как и его геометрические параметры, влияет на скорость и траекторию относительного перемещения пласта, и его конечное положение. Он установил, что пласт почвы перемещается в направлении движения меньше на 15-20 % у вращаю­ щегося диска, чем у заторможенного, а в поперечном направлении - наобо­ рот, перемещение почвы оказывается меньшим у заторможенного диска.

Увеличение угла атаки СС и уменьшение угла наклона диска р ведет к уве­ личению продольного перемещения почвы и к сгруживанию ее перед диском при CC^AS. Сгруживание уменьшается, если одновременно с увеличени­ ем угла атака увеличивается и угол наклона. Поперечное перемещение пла­ ста с увеличением СС вначале интенсивно возрастает, затем рост замедля­ ется. Максимальное перемещение средней точки пласта, равное 0,35 м, было отмечено при СС = 55 и /? = О. При Of :< 15 перемещение почвы не на­ блюдалось. Увеличение )^ при всех значениях Of значительно уменьшало поперечное перемещение почвы. Утверждается, что диаметр диска и радиус его кривизны не оказывают существенного влияния на это перемещение.

Перемещение и перемешивание почвы дисковыми рабочими органами исследовали многие другие ученые в различных почвенно-климатических условиях. Они изучали влияние на этот показатель углов установки, диаметpa и радиуса кривизны диска, а также скорости его вращения. Полученные результаты аналогичны вышеприведенным [118,119, 120,124,126,127].

Качественные и энергетические показатели работы дисковых почвооб­ рабатывающих орудий зависят от характера резания почвы. В работе [93] ут­ верждается, что у затормолсенного диска происходит резание почвы со скольжением, кроме небольшого участка дуги резания, расположенной непо­ средственно у поверхности почвы. У вращающегося диска почти по всей ра­ бочей зоне происходит резание без скольжения, лишь при большой глубине обработки непосредственно у самой поверхности почвы происходит резание со скольжением. Поэтому, следуя выводам академика В. А. Желиговского [34]^ можно заключить, что у вращающегося диска на резание лезвием затра­ чивается большее усилие, чем у заторможенного.

В работах П. С. Нартова [64, 65, 66, 67, 68] подробно рассмотрены во­ просы движения плужных сферических дисков в почве, даны методы опреде­ ления их конструктивных параметров и расстановки, большое внимание уде­ лено качеству, но силы, действующие на них при работе, определялись толь­ ко экспериментальным путем. Исследовалось изменение продольной, попе­ речной и вертикальной составляющих главного вектора элементарных сил сопротивления почвы, действующих на диск, в зависимости от углов его по­ становки на установке типа ВИСХОМ [64, 93]. Использовались диски с ра­ диусом кривизны г = 0,7 м и диаметром Z) = 0,65 м. Поступательная скорость составляла 4 км/ч. Оказалось, что удельное рабочее сопротивление P^yd при изменении CZ и неизменном у^ имеет явно выраженный минимум при ОС = 25-35°. Рост этой силы при меньших значениях б Г объясняется автором уве­ личением количества разрезов на ширину захвата орудия. Увеличение /%«/ при а) 3 5 объясняется повышением интенсивности деформащ1и пласта и увеличением перемещения почвенной массы. Увеличение угла наклона диска р приводило к уменьшению P^yd, что объясняется более плавным наползанием пласта на диск, уменьшением деформации и дальности перемещения пласта. При открытии борозды рабочее сопротивление диска оказалось в 1,4раз выше, чем при работе с открытой бороздой. Торможение диска увели­ чивало Р^ги/, однако с ростом СС разница между рабочим сопротивлением свободно вращающегося и заторможенного дисков сглаживается.

Gordon Е. D. [121J при исследовании зависимости тягового сопротивле­ ния от угла атаки (X минимальные значения силы тяги получил уже в зоне СХ^45. в его опытах использовался диск с радиусом кривизны г = 0,56 м и диаметром D = 0,65 м. Поступательная скорость составляла 3,54 км/ч. Повы­ шение тягового сопротивления в зоне СС < 45 объясняется увеличением площади соприкосновения между выпуклой стороной диска и стенкой бороз­ ды. При (X > 45 наблюдалось резкое увеличение тягового сопротивления:

Taylor Р. А. [125] тензометрировал в полевых условиях диски диаметром D = 0,61 м при поступательной скорости 6,4 км/ч при различных углах атаки и наклона на серых илисто-глинистых почвах полу^1ил прямолинейную зави­ симость прироста тягового сопротивления Р^ с увеличением угла атаки ^.

Поперечная составляющая Ру главного вектора Р элементарных сил со­ противления почвы в тех экспериментах П. С. Нартова, где исследовалась его зависимость от углов атаки ОС, имеет четко выраженный максимум в зоне ^ = 3 0 - 3 5. Уменьшение ее при ВЙХМЕХЛНИЧССХИЕ СВОЙСТВА TfAlCTOf

ПКОЛЕСТВЕННИХ ТЕМПиЛГУРА В01ДУХА

ОТНОСИТЕЛШАЛ ВЛАЮЮСТЪ ВОЗДУХА

РАЛИУС МДУШЕГО КОЛЕСА

НАВЕСКА РА1МЕРШИН

ГАМЧИЯ ОРГАН ВЫСОТА nOMBOlAUETKB

ШНГННА1АХВАГА

ложкианыв опАТХи

ЗАДЕГНЕНИЕ УГОЛ АТАКИ

УГОЛ НАКЛОНА ДИСКОВ

ПТТАГКИК

ВЛАЖНОСТЬ

•ИЭИЧКГНП СОСТАВ

геГУЛХТОР ПОЛОЖЕНИЯ КАТКА

Естественно, что в качестве независимых варьируемых факторов должны использоваться только такие, которые оказывают статистически значимое влияние на исследуемый отклик. Но среди них есть факторы, ко­ торые являются неуправляемыми. Например, при проведении эксперимен­ та мы не можем по своему усмотрению задавать влажность почвы, рельеф поля, силу и направление ветра и т. д.

Для исключения влияния неуправляемых факторов на результаты эксперимента и их интерпретацию использовались следующие приемы.

• Чтобы предотвратить влияние неуправляемых факторов, произ­ вольно изменяющихся в течение времени проведения экспери­ мента (влажность почвы; влажность, температура и давление ат­ мосферного воздуха и т. п.), на получаемые зависимости и зако­ номерности, очередность реализации опытов плана эксперимен­ та рандомизировалась с использованием генератора случайных • Для компенсации влияния неуправляемых факторов, воздейст­ вие которых на результаты экспериментирования зависит от на­ правления движения агрегата (уклон поля, направление ветра и т. п.), каждый опыт проводился при движении агрегата в прямом и обратном направлениях.

• Для уменьшения дрейфа значений неуправляемых факторов за время реализации плана эксперимента осуществлялся выбор плана с минимально возможным количеством опытов и прово­ дились организационно-технические мероприятия, направлен­ ные на снижение времени, необходимого на переналадку уров­ ней факторов между опытами, которая проводилась не на* ма­ шинном дворе или в лаборатории, а на краю экспериментального • Значения неуправляемых факторов, характеризующих агрофон, фиксировались (оставались неизменными) за счет проведения всех опытов плана эксперимента на одном поле.

• Минимизация дрейфа факторов, характеризующих погодные ус­ ловия и физико-механические характеристики почвы, достига­ лась в результате проведения эксперимента в период с 10 до часов, когда солнце находится не ниже 30° над уровнем горизон­ та, обеспечивая достаточно стабильный прогрев атмосферы и почвы, т. е. их температурный режим можно считать установив­ Рис. 2.3. Образец термограммы при реализации плана эксперимента 2.3.3. Из всей совокупности факторов, оказывающих влияние на ка­ чественные и технико-экономические показатели работы ДРПА, необхо­ димо выбрать параметры оптимизации. ДРПА является объектом сложной природы, особенно на начальном этапе поисковой деятельности. Для него нет строгого математического описания.

В этом случае возникает необходимость в использовании опыта ра­ боты, эрудиции и интуиции высококвалифицированных специалистов, способных предлагать верные решения в условиях недостаточности ин­ формации. Интуитивное решение специалиста — это не случайное угады­ вание. Как отмечал великий изобретатель Т. Эдисон: «Интуиция - дочь информации». Интуитивное решение высококвалифицированного специа­ листа основано на информации, аккумулированной в течение всей его жизни - учебы, профессиональной и творческой деятельности.

Применение методов экспертных оценок (называемых также мето­ дами групповой экспертизы) позволяет квантифицировать (количественно выразить) качественные характеристики изучаемого объекта. При этом реализуются возможности системного подхода, т. е. используется суммар­ ная информация, которой владеет группа экспертов, применяются специ­ ально разработанные процедуры получения обобщенного суждения экс­ пертной группы, оценки достоверности полученных результатов. Метод экспертных оценок - это совокупность логических и математикостатистических методов и процедур, направленных на получение и обра­ ботку мнений специалистов с целью выбора оптимального плана действий при подготовке к проведению планирования эксперимента.

Для' ранжирования управляемых факторов по > степени влияния на агротехнические и эксплуатационные показатели работы ДРПА нами ис­ пользовался метод экспертных оценок [9, 26]. Как видно из приведенных литературных источников, существует достаточно большое количество та­ ких методов. Мы воспользовались методикой, рекомендуемой норматив­ ными документами [85].

Экспертами являлись ученые Кубанского ГАУ (всего 11 чел) и слушатели факультета повышения квалификации Кубанского ГАУ в 1999г.г. (главные инженеры — 75 чел, главные агрономы — 87 чел, слуша­ тели резерва руководителей АПК - 17 чел), выпускники заочного факуль­ тета Кубанского ГАУ по специальностям «Агрономия» - 93 чел и «Меха­ низация с/х» - 52 чел.

Инженерам и агрономам предприятий АПК была предложена анке­ та (см. приложение 2.10) экспертной оценки специалистом факторов, влияющих на качественные и энергетические показатели работы дискового плуга-лущильника. В ней специалисты оценивали значимость влияния конструктивных параметров орудия на энергоемкость и качество обработ­ ки почвы в порядке убывания. Фактор, оказывающий наиболее сильное влияние, отмечался номером 1, более слабое - 2 и т. д. В свободные строки таблицы специалисты могли самостоятельно дописать неотмеченные фак­ торы, которые, по их мнению, оказывают значимое влияние на энергоем­ кость и качество работы дискового почвообрабатывающего орудия при подготовке почвы под посев пожнивной кукурузы на зеленый корм.

Степень согласованности мнений специалистов оценивалась коэф­ фициентом конкордации Ж при наличии «связанных» рангов [85]. Под "связанными" рангами понимался такой случай, когда специалист не мог отдать предпочтение тому или иному фактору и присваивал сразу двум и более факторам одинаковый ранг.

где о - сумма квадратов отклонении от средней суммы рангов;

^ - число опрашиваемых специалистов;

f^ - число факторов.

При этом S HTj рассчитывались следующим образом:

где oij - ранг i -го фактора по мнению у-го специалиста j - У-6 число одинаковых рангов в /-м ранжировании.

Суммы 7} подсчитывались только для тех специалистов (27 чел.), у которых были «связанные» ранги.

Значимость вычисленного коэффициента конкордации определяли по критерию Пирсона X > расчетное значение которого определялось по формуле [85]:

Табличное значение критерия X табл. с числом степеней свободы f = п-\ =9 при уровне надежности 0,1 равно 14,684 [30].

Вычисленное по формуле (2.5) значение X равно 47,2, то есть больше табличного при соответствующем числе степеней свободы. Это свидетельствует о том, что коэффициент конкордации статистически зна­ чимо отличается от нуля с надежностью 90 %. Поэтому можно утверждать, что согласованность мнений экспертов не является случайной и результа­ ты экспертной оценки могут быть использованы при проведении исследо­ ваний.

Полученные результаты экспертной оценки позволили построить априорную диаграмму рангов (см. рис. 2.4.) для принятых критериев опти­ мизации.

Как видно из приведенных диаграмм, распределение рангов факто­ ров носит неравномерный, экспоненциальный, убывающий характер. Это свидетельствует о быстром падении степени влияния на принятые крите­ рии. Такое распределение позволяет исключить из эксперимента факторы, оказывающие наименьшее влияние на значения отклика.

Были выявлены следующие факторы, оказывающие наиболее силь­ ное влияние на энергопотребление процесса:

3. Число рядов дисковых батарей.

5. Передаточное число трансмиссии трактора /*.

В то же самое время, качество обработки почвы под посев пожнив­ ной кукурузы в наибольшей степени определяется следующими фактора­ ми:

2. Число рядов дисковых батарей.

3. Рабочая передача трактора/^д.

4. Радиус дисков/?.

>«' Рис. 2.4. Априорная диаграмма рангов при различных критериях оптимизации: а) энергопотребление процесса; б) качество работы Ширина захвата орудия В, которая оказывает наиболее значимое влияние на энергопотребление процесса, не оказывает, по мнению экспер­ тов, заметного влияния на качество работы агрегата. Но для эксплуатаци­ онника ДРПА основными критериями является качество работы (которым определяются потенциальные доходы от выращенной продукции) и энер­ гоемкость процесса, которая в силу дороговизны энергоносителей оказы­ вает наиболее значимое влияние на себестоимость выращенной продук­ ции.

Поэтому в качестве независимых варьируемых факторов были приня­ ты пять параметров, оказывающих решающее влияние на энергетические и качественные показатели работы ДРПА, а именно: Xi - ширина захватав, Хг - угол атаки СС,Х^- число рядов дисковых батарей, Х4 - радиус дисков RfXs- передаточное число трансмиссии трактора /^^.

После выбора количества и перечня независимых факторов необхо­ димо выбрать план многофакторного эксперимента.

2.3.4. Известно огромное многообразие планов многофакторных экс­ периментов, которые обладают различными замечательными свойствами:

ортогональность, композиционность, ротатабельность и т. д. [3,4, 7,20,25, 55, 58, 62, 69].

К пятифакторному плану эксперимента априори предъявлялись сле­ дующие требования:

• Одинаковая точность оценки функции отклика по всем направле­ ниям от центра эксперимента.

• Возможность выполнять план последовательно, переходя от про­ стых математических моделей к более сложным.

• Постоянство дисперсии оценки модели в области эксперимента факторного пространства.

• Минимальное количество опытов в плане эксперимента.

• Возможно меньшее количество переналадок значений варьируе­ мых параметров в процессе реализации плана эксперимента.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет пятифакторный трехуровневый план Бокса-Бенкена [25]. План в нормализованных значениях приведен в табл. 2.2. Выбранный план обеспечивает равноточность оценки отклика в области эксперимента факторного пространства (см. рис. 2.1П). Кроме того, варьирование независимых факторов лишь на трех уровнях обеспечивает снижение трудоемкости эксперимента при пе­ реналадке их значений в различных опытах. Это также способствует по­ вышению достоверности эксперимента в результате уменьшения дрейфа неуправляемых факторов из-за уменьшения времени реализации опытов плана эксперимента.

Результаты многофакторного эксперимента в значительной сте­ пени зависят от правильности выбора интервалов варьирования независи­ мых факторов.

При выборе интервалов варьирования мы исходили из следующих со­ ображений:

1. Изменение значения отклика ЛУ при варьировании фактора X. в процессе экспериментирования обусловлено изменением А Х.

фактора X. vi случайной ошибкой ^, При чрезмерном уменьше­ нии АЛ^. изменение отклика АЗ^ вследствие изменения X/может оказаться статистически незначимым на фоне случайной ошибки.

Поэтому нижний предел области допустимых значений интервала варьирования определялся из условия статистической значимости дисперсии отклика, обусловленной дисперсией фактора А^-, которая оценивалась в результате поисковых предварительных опытов.

2. В первую очередь принимались интервалы варьирования переда­ точного числа трансмиссии трактора Хз, так как оно является час­ тично управляемым фактором и может принимать только конкрет­ ные, наперед заданные значения на различных передачах. При этом передачи выбирались таким образом, чтобы середина размаха варьирования фактора Хз, определенная из технической характери­ стики трактора, была наиболее близка к интервалу скоростей 10— 12 км/ч, определенному в результате поисковых опытов.

3. Интервалы варьирования остальных факторов (Xi, Хг, Хз, Х4) вы­ бирались таким образом, чтобы изменение отклика в резуль­ тате изменения каждого из этих факторов на величину интервала варьирования (АА'рДЛ'2,АА'з»^^4) было статистически значимым на фоне изменения отклика в результате изменения частично управ­ ляемого фактора Хз на величину интервала варьирования Zlc>J Рис. 2.7. Взаимосвязь нормализованных и натуральных значений передаточного числа трансмиссии: а) - по формуле (2.13); б) - сплайнами

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

3.1. Синтез принципиальной конструктивной схемы ротационного почвообрабатывающего орудия Построение «морфологического ящика» можно выполнить, базиру­ ясь на функциональном подходе, либо на конструктивном. Мы использо­ вали комбинированный подход. Это упростило задачу построения морфо­ логической таблицы дискового ротационного почвообрабатывающего ору­ дия, так как каждую отдельную функцию можно реализовать далеко не единственным конструктивным решением. Поэтому такой подход, в отли­ чие от чисто функционального или конструктивного, обеспечивает полу­ чение полного множества 91 возможных технических рещений при мини­ мально возможном объеме морфологической таблицы 3.1. Их количество определяется выражением [71]:

где О. - количество конструктивных схем, которые можно получить из морфологической таблицы;

и - количество конструктивных и функциональных признаков, со­ держащихся в морфологической таблице (в нащем случае Я = К,- - количество вариантов реализации /-го признака.

Расчет по формуле (3.1) показывает, что морфологическая таблица 3.1 позволяет получить 9,0296155616-10'^ вариантов конструктивных схем дискового почвообрабатывающего орудия.

В результате функционально-стоимостного анализа полученных ва­ риантов была выявлена наилучшая конструктивная схема:

Таблица 3.1. Морфологическая таблица дискового ротационного почвообрабатывающего орудия Признак Количество Рядность Схема рас­ становки дисков Связь диска с осью Рама Опорные элементы Транспортное поло­ Регулятор угла атаки Таким образом, нами было синтезировано дисковое почвообраба­ тывающее орудие со структурной формулой (3.2). Его схема показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципиальная конструктивная схема дискового ротаци­ онного почвообрабатывающего орудия со структурной формулой (3.2):

1 — рама; 2 — вилка; 3 - стойка; 4 — диск; 5 — тяга;6 - регулятор глубины об­ На это орудие Российское агентство по патентам и товарным зна­ кам выдало нам свидетельство на полезную модель № 14797.

Конструкция была реализована на ООО НПЦ "Ремком" (г. Красно­ дар).

На следующем этапе работы необходимо было выявить работоспо­ собность полученной конструкции. Для этого были проведены предварительные лабораторно-полевые экспериментальные исследования.

3.2. Результаты исследования работоспособности Разработанная принципиальная конструктивная схема дискового почвообрабатывающего орудия была реализована на предприятии ОАО «Ремком» в виде натурного полномасштабного образца. Известно, что критерием истины является практика, поэтому только производственные, хозяйственные полевые испытания наиболее достоверно могут оценить в принципиальном плане работоспособность разработанной конструктивной схемы, а также выявить узлы и детали новой конструкции, которые нуж­ даются в доработке.

В этой связи изготовленное орудие было подвергнуто полевым ис­ пытаниям с целью доводки его узлов в реальных агропочвенных условиях.

Предварительные испытания проводились на полях учхоза «Краснодар­ ское» КубГАУ в 1998-1999 гг.

В результате этих опытов было установлено, что разработанная конструкция обеспечивает устойчивое протекание технологического про­ цесса даже на сильно засоренных полях. Наматывание растительности на рабочие органы не происходило даже при работе на полях покрытых сплошным слоем сорной растительности высотой более 1 метра (см. рис.

3.2), Также были выявлены некоторые недостатки, снижавшие надежность агрегата, которые были устранены путем внесения нижеследующих конст­ руктивных изменений.

Навесная система усилена введением дополнительных косынок, раскоса и распорки, а также за счет уменьшения плеча приложения усилия в нижних тягах за счет уменьшения количества установочных отверстий с трех до одного. Последнее было сделано с учетом того, что использование трех отверстий как способа регулирования глубины хода рабочих органов оказалось малоэффективным. Три отверстия регулировать глубину обра­ ботки почвы не позволяли, но приводили к чрезмерному увеличению напряжений в сварных соединениях, что приводило к их разрушению. По­ этому были внесены конструктивные изменения, направленные на усиле­ ние элементов навески, показанные на рис. 3.3.

Рис. 3.2. Разработанное дисковое ротационное почвообрабатываюш,ее ору­ дие обеспечивает устойчивое протекание технологического процесса даже С целью повышения надежности подшипникового узла дисков была изменена конструкция оси (см. рис. 3.4). Эти изменения способствовали улучшению смазки подшипников, а также механическому усилению внут­ реннего подшипника и оси в месте ее сопряжения с фланцем, которое яв­ ляется опасным сечением оси, за счет увеличения посадочного диаметра на Также была усилена стойка диска за счет увеличения диаметра с до 60 мм, а крутяш,ий момент силы реакции почвы относительно оси вертикального участка был снижен путем уменьшения угла отгиба с 30° до 28° (см. рис. 3.5).

В процессе предварительных испытаний стало очевидным неудоб­ ство использования специального ключа для регулирования угла атаки дисков. Поэтому в узел регулировки угла атаки были внесены конструк­ тивные изменения, в результате которых регулировка может производить­ ся обычным рожковым ключом размером 55 мм (см. рис. 3.6).

Таким образом, общим результатом двухлетних предварительных исследований явились:

• установление принципиальной работоспособности синтезиро­ ванной схемы дискового ротационного почвообрабатывающего • доводка отдельных конструктивных элементов орудия, которая позволила получить достаточно работоспособную модель поч­ вообрабатывающего орудия.

Следующим этапом исследований была предусмотрена оптимиза­ ция конструктивных параметров, которые оказывают наиболее значимое влияние на агротехнические и технико-экономические показатели работы ДРПА.

Рис.3.3. Изменение конструкции верхней и нижней навесок, в ходе предварительных опытов Та^^а. 0Ь иа х месрц ^оо/г.

Рис, 3.4. Изменение конструкции оси диска pe^t/uie^o i/3/ra.

Рис. 3.5. Доводка конструкции стойки диска в предварительных опытах Рис. 3.6. Конструктивные изменения узла регулировки угла атаки 3.3, Результаты теоретических исследований закономерностей взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой Известно, что сопротивление почвы резанию двугранным клином зависит от угла резания у,, т.е. минимального угла между лицевой гра­ нью клина и направлением его абсолютной скоростью V. Сопротивления резанию лезвием будет зависеть от величины скольжения, которое опреде­ ляется отношением тангенциальной составляющей V^ скорости резания V к нормальной составляющей VN ИЛИ тангенсом угла У наклона век­ тора скорости V к касательной, проведенной к линии лезвия диска в точке резания (Ъм. рис. 3.7.).

Рис. 3.7. К определению угла между касательной к лезвию диска и векто­ Таким образом, между углом резания У, двугранного клина и уг­ лом У между вектором абсолютной скорости V лезвия диска и каса­ тельной к линии лезвия диска в точке резания существует определенная функциональная аналогия - оба эти угла определяют величину сопротив­ ления резанию. Поэтому некоторые исследователи называют угол У уг­ лом резания лезвием диска. При резании со скольжением обеспечивается уменьшение силы резания и предотвращается обволакивание лезвия расти­ тельными остатками и почвой, т. е. происходит самоочистка лезвия в про­ цессе работы [44,47,87].

Для обеспечения скольжения тела по поверхности необходимо, чтобы результирующая внешних активных сил F выходила за пределы конуса трения АОВ (рис. 3.8.а). Если результирующая F внешних актив­ ных сил оказывается внутри трения конуса (рис. 3.8.6), то скольжение тела по поверхности не происходит.

У^)*.^га» 40° Рис. 3.10. Зависимость угла v между векторами реакции почвы на лезвие Из графиков (рис. 3.10), построенных по формуле (3.8), очевидно, что вектор реакции почвы на лезвие значимо отклоняется от направления вектора абсолютной скорости ножа. При всех возможных значениях У и Уд if е (0,5... 1,0), у^ ^{\^^...40°)) к > 10°. Поэтому при обосновании размеров диска и анализе его силового взаимодействия с почвой следует учитывать отклонение V вектора Кц реакции почвы на лезвие диска от вектора V абсолютной скорости лезвия диска.

3.4. Теоретическое обоснование радиуса дисков 3.4.1, Ротационный дисковый почвообрабатывающий агрегат пред­ назначен для обработки стерневого агрофона, который характеризуется наличием значительного количества пожнивных остатков на поверхности поля. Устойчивость протекания технологического процесса в этих услови­ ях может достигаться лишь при условии отсутствия сгруживания расти­ тельности перед диском. Это условие выполняется, если происходит за­ щемление стеблей и листов растений между лезвием диска и поверхностью почвы. При выполнении условия защемления должен происходить процесс резания частиц растительных остатков. Известно, что наиболее эффектив­ но этот процесс происходит при выполнении условия скользящего реза­ ния, когда вектор реакции лезвия на частицу, которая находится на по­ верхности поля и взаимодействует с лезвием, выходит за пределы конуса трения [29,35,83].

Очевидно, что защемление облегчается с увеличением радиуса R диска, при неизменной глубине Я обработки почвы. Чем больше радиус диска, тем лучше сточки зрения выполнения условия защемления [88]. Но, с другой стороны, также очевидно, что условие скольжения облегчается при уменьшении радиуса диска. Поэтому при обосновании размеров диска вначале необходимо найти множество 5 j возможных значений радиуса диска, удовлетворяющих условию осуществления защемления где Rj - минимальное значение радиуса диска при заданной глубине об­ работки Я, при котором достигается выполнение условия Затем найдем мнолсество 3 ^ возможных значений радиуса диска из условия обеспечения резания со скольжением:

Учитываем (3.12) и делим правую и левую части последнего равен­ Окончательно получаем условие защемления частицы между лезви­ ем диска и поверхностью поля:

Рис. 3.16. Алгоритм расчета значений Re Но из уравнения (3.38) достаточно сложно выразить в явном виде радиус /? или глубину обработки Я. Поэтому задачу определения гранич­ ных значений 7?с радиуса диска множества 3 ^ мы определяли итерацион­ ным методом в соответствии с алгоритмом, показанным на рис. 3.16. Дан­ ный алгоритм был реализован в виде программы в среде Mathcad 2000 pro­ fessional.

* На рис. 3.12 штриховкой показана область, соответствующая мно­ жеству 5 ^ значений радиуса диска, при которых обеспечивается выпол­ нение условия скользящего резания. Рис. 3.12 свидетельствует о том, что множество 5, удовлетворяющее условию (3.11), не является пустым. На­ пример, при глубине обработки почвы Я = 0,13 м значениях радиуса диска в диапазоне 0,25-0,30 м позволяют добиться одновременного выполнения к двух условий: во-первых, - защемления растительности с целью предот­ вращения ее сгруживания перед диском на поверхности поля, и, вовторых, - обеспечения протекания перерезания частиц растительности на поверхности поля со скольжением.

Однако, при глубинах обработки до 0,10 м, область возможных значений диска представляет собой узкую полосу. Это свидетельствует о том, что при таких глубинах обработки гладкий диск не в состоянии обеспечить устойчивое протекание технологического процесса работы ДРПА в усло­ виях подготовки почвы под посев пожнивной кукурузы. По этой причине целесообразно использовать вырезной диск. Наличие вырезов даст возможность исключить сгруживание растительности на поверхности поля перед лезвием диска при его размерах, соответствующих области 3 ^, ко­ гда обеспечивается резание со скольжением. Но при этом требуется опре­ делить наиболее эффективную форму вырезов.

Критериями эффективности их формы являются два условия:

1. Обеспечение резания со скольжением при одновременном вы­ полнении условия защемления растительных остатков между поверхностью поля и лезвием диска в момент входа лезвия в почву.

2. Обеспечение самоочистки вырезов от растительных остатков в момент окончания контакта с почвой.

закономерностей изменения рабочей скорости агрегата В результате реализации плана эксперимента были зафиксированы значения поступательной скорости движения агрегата, которые представле­ ны в таблице 3.2.

Значения скорости по повторностям, км/ч Средняя ско­ Для обработки полученных экспериментальных данных использова­ лась методика, приведенная в подразделе 2,3. М1Ж был реализован при по­ мощи ПК. В итоге было получено уравнение регрессии (3. 39), которое адек­ ватно описывает реальный процесс работы ДРПА в виде полинома второй степени, включающего не только первые и вторые степени независимых фак­ торов, но и их парные взаимодействия:

F = 10.167-0.121Z,2-0.58LY2^-0.256^3^+0.110X42X1-1.150X2-0.406X3+0.050X4+ (3.39) +2.069X5+0.025X1X3-0.200X1X5-0.350X2X3, Адекватность полученного уравнения регрессии можно наглядно оце­ нить по данным таблицы 3.3, из которых видно, что значения рабочих скоро­ стей ДРПА, измеренных в процессе реализации плана эксперимента, хорошо согласуются со значениями, рассчитанными по полученному уравнению рег­ рессии.

Таблица 3.3. Соответствие измеренных и рассчитанных по уравнению регрессии значении рабочей скорости ДРПА Статистические характеристики, подтверждающие адекватность по­ лученной математической модели, рассчитывались с помощью табличного редактора Excel Microsoft и приведены в таблицах 3.4,3.5 и 3.6.

Статистическая значимость коэффициентов регрессии характеризуется данными таблицы 3.6.

Таблица З.б.Оценка статистической значимости коэффициентов симые коэффи­ дартная статисти- Значение значения коэффици­ ХО 10.16667 0,167587 60.66492 4.16Е-32 9,823912 10, XI -0,54375 0,102626 -5,29837 1,11Е-05 -0,75364 -0, Х2 -1,15 0,102626 -11,2058 4.69Е-12 -1,35989 -0, ХЗ -0,40625 0,102626 -3,95856 0,000448 -0,61614 -0, Х4 0,05 0,102626 0,487207 0,629774 -0,15989 0, Х5 2,06875 0,102626 20,15818 1,ЗЗЕ-18 1,858857 2, Х1Х1 -0,12292 0.138956 -0.88457 0,383663 -0,40711 0, Х2Х2 -0,58125 0.138956 -4.18298 0,000243 -0,86545 -0, -0,25625 0.138956 -1.84411 0,075406 -0,54045 0. 0,110417 0.138956 0.794616 0,433292 -0,17378 0, Х5Х5 -0.07292 0,138956 -0,52475 0.603748 -0,35711 0, Х1ХЗ 0,025 0,205252 0.121802 0,903896 -0,39479 0, Х1Х5 0,205252 -0.97441 0,33791 -0,61979 0, Х2ХЗ -0,525 0,205252 -2.55784 0,016022 -0,94479 -0, Выполненный статистический анализ свидетельствует о правомочно­ сти использования полученного уравнения регрессии (3. 39) для анализа влияния различных факторов на значение поступательной рабочей скорости ДРПА.

Рабочая скорость агрегата оказывает непосредственное влияние на ос­ новные, с точки зре1и1я эксплуатационника, показатели - производитель­ ность агрегата и удельные затраты ГСМ. Но они не могут находиться в пря­ мой зависимости с рабочей скоростью. По этой причине нет необходимости проводить оптимизацию параметров ДРПА по максимуму рабочей скорости.

Поэтому исследование на экстремум уравнения (3.39) мы не проводили.

Изобразить шестимерную гиперповерхность отклика на плоскости не­ возможно. Поэтому визуализация влияния различных конструктивных пара­ метров агрегата на рабочую скорость ДРПА обеспечивается при помощи двух- и трехмерных сечений поверхности отклика в центре эксперимента.

Для построения трехмерных сечений использовалась функция Create Mesh математического редактора Mathcard; На приведенных ниже рисунках показаны трехмерные сечения поверхности отклика V (изометрические изо­ бражения поверхности V в функции различных пар сочетаний независимых варьируемых факторов).

Для большей наглядности закономерностей изменения отклика и воз­ можности прогнозирования их значений поверхности отклика экстраполиро­ ваны за пределы области эксперимента.

Рис. 3.18. Двумерные сечения Xi — Х2 отклика V Увеличение интенсивности снижения рабочей скорости ДРПА при увеличении ширины захвата В (Х\) с 2,08 м до 3,20 м и угла атаки О^ (Хг) от 5° до 25° объясняется нелинейным уменьшением угловой скорости коленча­ того вала двигателя по внешней регуляторнои характеристике в результате увеличения крутящего момента на коленчатом валу двигателя и повышением коэффициента буксования движителей трактора на стерневом агрофоне из-за увеличения тягового сопротивления ДРПА. Поэтому максимальные значения скорости достигаются при сочетании минимальных значений Xi и Хг, а ми­ нимум скорости - соответственно при максимальных значениях этих же не­ зависимых факторов.

Рис. 3.20. Двумерные сечения Xj - Х з отклика V Увеличение числа рядов дисковых батарей с двух (Хз = -1) до четырех (Хз = 1) приводит к повышению тягового сопротивления ДРПА. Но прирост тягового сопротивления, очевидно, происходит по нелинейному закону, так как рабочие органы первого ряда осуществляют наиболее энергоемкий вид отделения почвенного пласта - блокированное резание. При этом почвенный пласт необходимо отделить от монолита и по бокам и снизу, извлечь его из образовавшейся борозды и опрокинуть. Наглядно представить степень со­ противления блокированному резанию позволяет такой пример. Каждому из­ вестно, как тяжело вогнать обыкновенную садовую лопату в почву первый раз, когда рядом нет открытой борозды. Но когда такая борозда есть, то ко­ пать лопатой в 2-3 раза легче. Диски первого ряда работают "как лопата в первый раз", то есть осуществляют наиболее энергоемкий процесс резания.

Последующие ряды дисков производят неблокированное резание в результа­ те наличия борозды, открытой дисками предшествующего ряда. Поэтому ха­ рактер изменения скорости при увеличении Хз объясняется увеличением тя­ гового сопротивления агрегата.

ДВУМЕРНОЕ СЕЧЕНИЕ V = /(Xl, Х4) Рис, 3.22. Двумерные сечения Х| — Х4 отклика V Рис. 3.23. Поверхность отклика V = fipCj, Х5) Рис. 3.24. Поверхность отклика V = f(X2, Х3) ДВУМЕРНОЕ СЕЧЕНИЕ V - f{X2, ХЗ) -о.»

Рис. 3.25. Двумерные сечения Хг - Хз отклика V Рис. 3.26. Поверхность отклика V = f(X2, Х4) ДВУМЕРНОЕ СЕЧЕНИЕ V = f(X2. Х4) Рис. 3.27. Двумерные сечения Хг - Xj отклика V Рис. 3.28. Поверхность отклика V = f(X2, Х5) ДВУМЕРНОЕ СЕЧЕНИЕ V = П:Х2. Х5) Рис. 3.29. Двумерные сечения Хг - Xj отклика V Рис. 3.30. Поверхность отклика V = Г(Хз, Х4) ДВУМЕРНОЕ СЕЧЕНИЕУ- f(X3, Х4) -0. Рис. 3.31. Двумерные сечения Хз — Х4 отклика V Рис. 3.32. Поверхность отклика V = Г(Хз, Хз) Рис. 3.33. Поверхность отклика V = 1(Х4, Хз) Изменение диаметра дисков (Х4) от центра интервала варьирования к его краям приводит к некоторому увеличению скорости агрегата.

Увеличение диаметра дисков в нормализованных значениях до +Г при­ водит к уменьшению величины относительного погружения диска в почву.

Это, в свою очередь, приводит к уменьшению плеча приложения результи­ рующей сил реакции почвы относительно МЦС диска, а, следовательно, к уменьшению момента сопротивления диска перекатыванию.

Кроме того, уменьшение степени относительного погружения приво­ дит к тому, что МЦС диска располагается на периферии диска. При постоян­ стве глубины погружения диска в почву момент сопротивления реакции поч­ вы на диск относительно МЦС практически не изменяется. В то же время, плечо до МЦС движущей силы, которая приложена к оси диска, увеличива­ ется. Это приводит к снижению тягового сопротивления орудия а, следова­ тельно, и к увеличению рабочей скорости агрегата.

Уменьшение диаметра дисков приводит к увеличению относительного погружения, что способствует возникновению тенденции к повышению тяго­ вого сопротивления орудия. Но, с другой стороны, при постоянстве глубины обработки уменьшается ширина захвата каждого диска. Последнее обстоя­ тельство способствует снижению момента сил сопротивления, а значит, и увеличению рабочей скорости, причем этот эффект усиливается при умень­ шении угла атаки дисков.

Уменьшение значений передаточного числа трансмиссии носит триви­ альный характер. Повышение номера рабочей передачи способствует повы­ шению рабочей скорости. Но, с другой стороны, повышение рабочей скоро­ сти способствует увеличению тягового сопротивления, в соответствии с ра­ циональной формулой В. П. Горячкина, а следовательно, и уменьшению час­ тоты вращения коленчатого вала тракторного двигателя, оборудованного всережимным регулятором. Поэтому изменение рабочей скорости имеет не­ гWW SVS33Z Для визуализации точности оценки отклика рабочей скорости агре­ гата по уравнению (3.39) были построены их 95 % доверительные интервалы варьирования (рис. 3.34) одномерных сечений в центре эксперимента. Для расчета предельных верхних и нижних значений отклика V использовались уравнения (3.40) и (3.41), которые получены из (3.39) подстановкой предель­ ных 95 % значений коэффициентов регрессии, приведенных в табл. 3.6.

Vj^ = 9,824 - 0,407X1^ - 0,865^2^ - 0,540Хз^ - ОД 7 4 ^ 4 ^ " - 0, 3 5 7 ^ 5 ^ -0,754^1-1,360^2 -0,616X3-0,1600X4 + (з. 40) + 1,859X5 -0,420Х]Х2 -0,395XiX3 -0,420X1X4 X1X5 -0,945X2X3-0,420X2X4;

Fg = 10,509+ 0,16IXi^ -0,297X2^+0,028X3^ +0,395X4^ - + 2,279X5 + 0,420X1X2 + 0,445X1X3 + 0,420X1X4 + + 0,220X1X5 -0,105X2X3+0,420X2X4, где Vf^ и Vg - верхнее и нижнее предельные значения 95 % доверительного Рис. 3.34. является наглядным свидетельством адекватности получен­ ного уравнения рефессии (3.39), а также его ротатабельности и униформности. Это дает нам право использовать данное уравнение для дальнейших ис­ следований и анализа.

3.6. Математическая модель производительности агрегата Производительность агрегата связана с независимыми варьируемы­ ми факторами уравнением регрессии (3.42):

5'=2.694-0.064Xi2-0.153J^2^-0.071X32+0.028X42X52+0.417X1-0.305X2-0.107X3+0.013X4+ +0.545X5-О.О6ЗХ1Х2-0.003X1X3-0.002X2X4 ^^"^^^ +0.055X1X5-0.139X2X3, Уравнение (3.42) адекватно описывает исследуемый процесс. На рисунках 3.35-3.38 показаны примеры некоторых трехмерных и двухмер­ ных сечений 6-мерной гиперповерхности отклика i " -0. Рис. 3.36. Двумерные сечения Хг - Хз поверхности отклика S Рис. 3.37. Двумерные сечения Хг — Х* поверхности отклика S Рис. 3.38. Двумерные сечения Хз — Х4 поверхности отклика S Характер зависимости производительности агрегата от варьируе­ мых факторов полностью определяется характером соответствующих за­ висимостей рабочей скорости ДРПА Vc учетом ширины захвата.

Исследование уравнения (3.420) на экстремум не имеет физическо­ го смысла по тем же причинам, что и уравнения (3.39). Очевидно, что мак­ симальная производительность будет достигаться при нулевом угле атаки и приемлемая производительность будет определяться ограничениями, ко­ торые характеризуют качество обработки почвы. Поэтому необходимо ис­ следовать удельную энергоемкость процесса почвообработки.

3.7. Результаты оптимизации параметров агрегата Удельная энергоемкость G^^ процесса обработки почвы адекватно описывается математической моделью:

Gj. ^=7,92S+0,562X^^+l,662X^^+\,599X/-0fi2SX^'^ + +0,043Х^Х^+0,632Х^Х^.

Статистическая значимость коэффициентов регрессии характеризуется данными таблицы 3.5,П. Данные таблицы свидетельствуют о правомочности использования полученного уравнения регрессии (3.43) для анализа влияния •.' независимых конструктивных факторов ДРПА на удельную энергоемкость процесса обработки почвы.

При уменьшении значений ширины захвата (Xi) от 1 до -1 (в норма­ лизованных значениях) объясняется снижением коэффициента использова­ ния мошности двигателя трактора.

•" Повышение удельного расхода топлива (г/м^) при уменьшении угла атаки (Хг) от О до -1 происходит в связи с увеличением объема необработан­ ной почвы в продольных гребнях и ухудшением качества разделки почвы. С другой стороны, увеличение Хг от центра экспериментирования до +1 приво­ дит к уменьшению гребнистости дна борозды и улучшению разделки почвы.

• Но значительное повышение тягового сопротивления приводит к тому, об­ щий удельный расход топлива возрастает.

Количество рядов дисков Хз неоднозначно влияет на энергоемкость процесса по следующим основным причинам. Уменьшение количества рядов до - 1, с одной стороны, приводит к снижению загрузки тракторного двигатещ) ля И, следовательно, к уменьшению часового расхода топлива. Но, с другой стороны, повышается гребнистость дна борозды и ухудшается крошение.

Рис. 3.39.Поверхность отклика (7^ ^ = ^О^з, Хз) Рис. 3.40.Поверхность отклика Gy, а — ^(Хг. Хз) Рис. 3.41.Двумерные сечения Xi - Х5 поверхности отклика Gv. д Рис. 3.42. Двумерные сечения Хг - Хз поверхности отклика Gv. д Рис. 3.43.Двумерные сечения Хз — Х4 поверхности отклика Gy. д Рис. 3.44. Двумерные сечения Хз - Х5 поверхности отклика Gy, д Для определения оптимальных значений конструктивных параметров, обеспечивающих минимизацию удельного объемного расхода топлива Gy^ выполнялось исследование на экстремум функции (3.43):

После взятия частных производных система уравнений принимает вид:

' U 2 4 X, - 0, 0 4 2 ^ 2 +0,136^3 +0,075^4+0,043X5 -1,010 = 0;

В результате решения системы линейных уравнений (3.45) с помощью функции Isolve пакета математических программ Mathcard (см. приложение 3..П) получены оптимальные значения конструктивных параметров в нор­ мализованном виде:

Оптимальные значения в натуральных единицах были получены из нормализованных (3.46) по формулам (2.10), (2.13) и представлены в таблице 3.7. При этом уравнение (2.10) приводилось к виду:

Таблица 3.7. Оптимальные значения конструктивных параметров Оптимальные значения конструктивных параметров 3,20 0,998 14,50 -0,05 2,78 -0,22 0,26 -0,71 38,87 -0, Фактор Хз может принимать только целые положительные значения.

Поэтому рациональное количество дисковых батарей принимаем равным 3 в результате округления оптимального значения Хз до ближайшего целого числа.

Передаточное число трансмиссии / ^ трактора Т-15ОК на разных пе­ редачах КПП может принимать лишь заданные фиксированные значения, обусловленные особенностями конструкции. Поэтому рациональной являет­ ся IV передача КПП с передаточным числом трансмиссии /^ = 37,9 [82].

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

В настоящее время официальными нормативными документами при экономической оценке разрабатываемой сельскохозяйственной техники яв­ ляются следующие действующие государственные стандарты:

ГОСТ 23728-88 «Основные положения и показатели экономической оценки», ГОСТ 23729-88 «Методы экономической оценки специализиро­ ванных машин», а также ГОСТ 23730-88 «Методы экономической оценки универсальных машин и технологических комплексов».

Эти стандарты являются устаревшими и не отражают особенностей экономических отношений, сложившихся в Российской Федерации в на­ стоящее время. Поэтому, экономическую оценку разрабатываемых техниче­ ских средств выполним не по вышеуказанным стандартам, а в соответствии с методикой [59], рекомендованной министерством сельского хозяйства и продовольствия РФ, с учетом справочных данных [73, 82, 90, 99, 100, 105].

Расчет будем вести, исходя из интересов сельскохозяйственного предприятия, приобретающего разработанное техническое средство на соб­ ственные средства. Таким образом, задача сводится к определению эффек­ тивности инвестиций, направленных на внедрение новой техники в дейст­ вующее производство.

Наиболее общей постановкой задачи по определению эффективности инвестиций является динамическая, при которой расчеты проводятся за расчетный период с учетом затрат и результатов за каждый год (квартал, месяц) расчетного периода. Мы примем упрощенный вариант постановки задачи - статический. При этом полагаем, что все платежи и поступления распределяются равномерно в течение всего расчетного периода.

Для оценки эффективности инвестиций используется следующий по­ казатель - чистый дисконтированный доход, представляющий собой разницу между величиной капитальных вложений и суммой эффектов, приведен­ ных к тому же моменту времени [59].

где ЩЩ- чистый дисконтированный доход, руб.;

R - ежегодные поступления от капиталовложений, руб.;

/ - доходность альтернативного вложения капитала (по депозитным вкладам в банк);

t - срок службы рассматриваемого технического средства, лет;

К- дополнительные капиталовложения, руб.

В нашем случае ежегодные поступления представляют собой эконо­ мию эксплуатационных затрат от использования нового технического сред­ ства. Она может быть рассчитана по выражению где Sg - эксплуатационные затраты при использовании базового техниче­ ского средства, руб/га;

Sjf - эксплуатационные затраты при использовании нового техниче­ ского средства, руб/га;

WQ - годовой объем производства (сезонная производительность), га.

Рассматриваемые далее варианты инвестиций по международной классификации [59] относятся как к третьему классу - обновление основных производственных фондов, так и к четвертому - экономия затрат. Для третьего класса капиталовложений рекомендуемая норма дисконта Е или ставка процента на капитал. Для конкретного слукчая инвестиций при расчетах следует принимать ставку конкретного банка-кредитора. В расче­ тах примем = 0,15.

В качестве базовой машины при расчете использована серийная дисковая тяжелая борона БДТ-3. Эта машина наиболее распространена в хозяй­ ствах края и является одной из наилучших в своем классе.

При расчете эксплуатационных затрат использовался ГОСТ 23729-88.

Исходные данные для расчетов взяты из нормативно-справочной литерату­ ры [17, 77, 78, 82, 99, 100, 105, 106]. Результаты расчетов сведем в таблицу 4,1 с учетом необходимости трех проходов по полю базовой дисковой бороной БДТ-3 для достижения требуемого качества обработки почвы.

Таблица 4.1. Показатели экономической эффективности Амортизационные отчисления, руб/га 23, Экономия эксплуатационных затрат, руб На рис. 4.1 показан график изменения чистого дисконтированного до­ хода предложенного ДРПО с течением времени начиная с момента вложе­ ния инвестиций.

Дисконтированный срок окупаемости TQJ^ инвестиций наступает в момент времени /, когда чистый дисконтированный доходЭД/?"достигает нулевого значения и график функции (4.1) пересекает ось абсцисс. Значение Рис. 4,1. Чистый дисконтированный доход разработанного ДРПА Через 1,3 года с момента инвестирования средств на покупку разрабо­ танного орудия чистый дисконтированный доход ЧДЦ становится положи­ тельным, т. е. разработанный агрегат начинает приносить хозяйству чистую прибыль. Срок окупаемости инвестиций существенно меньше нормативно­ го срока амортизации разработанного орудия, который составляет 7 лет.

Следовательно, инвестиции в предлагаемый вариант дискового ротационно­ го почвообрабатывающего орудия являются эффективными и экономически целесообразными для сельскохозяйственных предприятий.

5 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

В представленной работе на основании комплексных теоретиче­ ских и экспериментальных исследований выявлены особенности приме­ нения дискового ротационного почвообрабатывающего орудия для обра­ ботки почвы под посев в условиях Краснодарского края. Разработана принципиальная компоновочная схема дискового плуга-лущильника с ус­ тановкой рабочих органов на индивидуальных стойках. Решены некото­ рые теоретические вопросы взаимодействия рабочего органа дискового ротационного плуга-лущильника с почвой. Разработана методика расчета значения и направления усилий, действующих на дисковый сферический, ротационный почвообрабатывающий рабочий орган. Установлены зако­ номерности изменения основных технико-экономических показателей ра­ боты ДРПА.

Рассмотрены вопросы по изысканию путей снижения удельных за­ трат энергии на обработку почвы такими орудиями. Определены конст­ руктивные параметры рабочего органа, обеспечивающие устойчивое про­ текание рабочего процесса. Выявлены оптимальные конструктивные па­ раметры и кинематические режимы работы агрегата, обеспечивающие минимизацию затрат энергии на обработку единицы объема почвы при качестве выполнения работы, удовлетворяющем агротребованиям.

Выполнена оценка эффективности инвестирования • средств аграр­ ных предприятий в разработанное техническое средство.

Общие выводы и предложения производству:

З.ИДисковый плуг-лущильник, синтезированный методом мор­ фологического анализа, обеспечивает за один проход подготовку почвы под посев в условиях Краснодарского края.

5.2.Вектор реакции почвы на лезвие диска значимо (до 5(f) от­ клоняется от направления вектора абсолютной скорости, поэтому это отклонение следует учитывать при обосновании конструктив­ ных параметров диска. Увеличению угла V отклонения направления вектора реакции почвы на лезвие диска от • направления вектора его абсолютной скорости от l(f до 5СР способствуют снижение значений коэффициента трения f от 1,0 до 0,4 и уменьшение угла резания у^ om6(f dol(f, З.З.Увеличение глубины обработки почвы от 0,03 м до 0,15м при­ водит к уменьшению угла V отклонения направления вектора реакции почвы на лезвие диска от- направления вектора его абсолютной скорости у поверхности поля от 30^ до Sf, 5,4.Разработанная методика позволяет определить значения радиуса диска, которые обеспечивают устойчивое протекание техно­ логического процесса без сгруукивания растительности перед почво­ обрабатывающим рабочим органом при выполнении условия скользя­ щего резания лезвием.

5.5.Нормализация значений передаточного числа трансмиссии трактора методом полиномиальной интерполяции при реализации плана факторного эксперимента позволяет использовать методы математического планирования экспертнента при оптимизации па­ раметров машинно-тракторных агрегатов со ступенчатой коробкой передач.

З.б.Выявленные закономерности позволяют адекватно опреде­ лить технико-экономические показатели работы агрегата: рабочую скорость, производительность, удельную энергоемкость при любых сочетаниях значений ширины захвата, угла атаки, числа дисковых батарей, радиуса дисков, передаточного числа трансмиссии тракто­ ра. Оптимальные значения параметров агрегата: ширина захвата В = 3,2 м; угол атаки а = 14,5 / число дисковых батарей п = 2,8; радиус дисков R = 0,26 м; передаточное число трансмиссии i^p =38,9, которые обеспечивают достижение минимальных удельных затрат топлива на обработку единицы объема почвы, составляющих 6,86 г/м.

5.7.Инвестиции в разработанное дисковое почвообрабатываю­ щее орудие экономически целесообразны, так как дисконтированный срок окупаемости составляет 1,3 года, что существенно меньше нор­ мативного срока амортизации, по истечении которого чистый дис­ контированный доход составит 716 тыс. руб.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агротехнические требования к основным технологическим опера­ циям при адаптивных технологиях возделывания озимых колосовых и ку­ курузы и новые технические средства для их выполнения в Краснодарском крае. — Краснодар: Департамент сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края, Краснодарский НИИСХ им. П. П. Лукьяненко, 2001.

-144 с.

2. Агроэкологический мониторинг в земледелии Краснодарского края / Под общей редакцией Трубилина И. Т. - Краснодар: КубГАУ, 2002. с.

3. Адлер Ю. П. Введение в планирование эксперимента. - М.: Метал­ лургия, 1969. — 157 с.

4. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В, Планирование экс­ перимента при поиске оптимальных условий. Программированное введе­ ние в планирование эксперимента. — М.: Наука, 1971. — 287 с.

5. Альтшуллер Г. С. Найти идею. Введение в теорию решения изобре­ тательских задач. - Новосибирск: Наука, 1986. - 209 с.

6. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. — М.: Советское ра­ дио, 1979.- 184 с.

7. Асатурян В. И. Теория планирования эксперимента. -М.: Радио и связь, 1983.-248 с.

8. Бахтин П. У. Исследование физико-механических и технологиче­ ских свойств основных типов почв СССР. — М.: Колос, 1969. — 271 с.

9. Бешелев С. Д., Гурвич Ф. Г. Математико-статистические методы экспертных оценок.-М.: Статистика, 1974.

10. Блажний Е. С. Почвы дельты реки Кубани и прилегающих про­ странств. - Краснодар: Кн. Изд., 1971. — 257 с.

11. Браунли К. А. Статистическая теория и методология в науке и технике. - М.: Наука, 1977. - 408 с.

12. Буцолич Е. Испытания дисковых плугов. // Земледельческая ме­ ханика. - М., 1968, т. 10. - с. 28-37.

13. Буцолич Е. Исследование работы дисковых орудий. // Земледель­ ческая механика. - М., 1966, т. 9. — с. 40-45.

^) 14. Вадюнина А. Ф., Корчагина 3. А. Методы исследования физиче­ ских свойств почвы. - М.: Агропромиздат, 1989. - 221 с.

15. Вальков В. Ф., Штемпель Ю. А., Трубилин И. Т. и др. Почвы Краснодарского края их использование и охрана. - Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦВШ, 1996.-191 с.

16. Василинин В. С. Совершенствование технологического процесса вспашки дисковым плугом в условиях рисосеяния на Кубани. - Дис. ...

канд. техн. наук. - Краснодар: КубГАУ, 1996. - 211 с.

17. Веденяпин Г. В. и др. Эксплуатация машинно-тракторного парка.

-М.: Колос, 1968.-343 с.

18. Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки данных. - М.: Колос, 1973. - 135 с.

19. Вершинин В. И. Зависимость реактивных сил сопротивления почвы от диаметра и радиуса кривизны сферических дисковых рабочих ор­ ганов плуга. // Науч. зап. / ВЛТИ. - Вып. 31. - Воронеж, 1966. - с. 55-60.

20. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования экспе­ римента в технико-экономических исследованиях. — М.: Финансы и статистика, 1981.-263 с.

21. Вопросы земледельческой механики. / Под ред. Мацепуро М. В., т. 8. - Минск, 1962. - С. 46-50.

22. Гайко С. Н. Совершенствование процесса механизированной об­ работки почвы способом копания. / Автореф. дисс канд. техн. наук. Зерноград: АЧГАА, 2001. - 19 с.

23. Гильштейн П. М., Стародинский Д. 3., Циммерман М. 3. Почво­ обрабатывающие машины специального назначения. Проектирование и расчет. -М.: Машиностроение, 1964. - 140 с.

24. Голдовский Б. И., Вайнерман М. И. Рациональное творчество. О направленном поиске новых технических решений. - М.: Речной транс­ порт, 1990.-120 с.

25. Голикова Т. И., Панченко Л. А., Фридман М. 3. Каталог планов второго порядка. Часть 1. Выпуск 47. - М. : Изд-во МГУ, 1974.-387 с.

26. Горелов В. Е., Кудрявцев А. В., Одинцов М. Н. Методы эксперт­ ных оценок. - М.: ВНИРШИ, 1987. - 28 с.

27. Горячкин В. П. Собрание сочинений. - М.: Колос, 1968. -720 с. — Т. 2. - с. 8,416-445,452.

28. ГОСТ 20915-75. Техника сельскохозяйственная. Методы опреде­ ления условий испытаний. - М,: Изд-во стандартов, 1976. - 34 с.

29. Далин А. Д. Обоснование формы рабочих органов ротационных почвообрабатывающих машин. - Д и с докт. Техн. наук. - М. : ВИМЭСХ, 1941.-366 с.

30. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта. — М.: Агропромиздат, 1985.-351 с.

31. Ерохина Л. С, Савченко Т. К. Влияние ошибок в намеченных уровнях на величину коэффициентов регрессии при планировании экспе­ римента. // Оптимизация металлургических процессов. — Вып. 5. - М.: Ме­ таллургия, 1971.-С. 189-195.

32. Ефимов Д. Н. Кукуруза весенних и пожнивных посевов на оро­ шаемых землях. - М.: Колос, 1969.

33. Жалнин Э. В., Маслов Г. Г., Плешаков В. Н., Медовник А. Н.

Системный подход к процессам земледельческой механики как объектам их аксиоматизации // Энерго- и ресурсосбережение производственных процессов АПК: труды/ КГАУ, вып. 382(410). - Краснодар, 2000. - С. 513Желиговский В. А. Элементы теории почвообрабатывающих ма­ шин и механической технологии сельскохозяйственных материалов. Тбилиси, 1960.-146 с.

35. Зеленин А. Н. Резание грунтов. - М.: Машгиз, 1959.

36. Зубенко В. X. Повторные посевы. - М.: Россельхозиздат, 1973. с.

37. Канаев А. И. Энерговлагосберегающая технология и машины для основной обработки почвы с учетом неоднородности почвенного покрова в Заволжье. - Автореф. дисс. на соискание ученой степени доктора техн.

наук. -Пенза: ПГСХА, 2000. - 39 с.

38. Канаев А. И., Пикалов Е. А. Аналитическое описание движения пласта по сферическому диску. // Совершенствование механизированных процессов и рабочих органов сельскохозяйственной техники. Сб. науч.

трудов. - Самара, 1992. - С. 35-38.

39. Канаев А. И., Пикалов Е. А. Расчетная математическая модель перемещения пласта почвы по плоскому диску. // Совершенствование ме­ ханизированных процессов и рабочих органов сельскохозяйственной тех­ ники. Сб. науч. трудов. - Самара, 1992. - С. 39-42.

40. Канарев Ф. М., Ковалева Е. А. Системный анализ в оценке техно­ логий // Техника в сельском хозяйстве. — 1989. - № 2. - С. 33-34.

41. Канарев Ф. М. Обработка почвы рисовых полей ротационными машинами и орудиями в зоне рисосеяния Краснодарского края. — Дис.

докт.техн. наук. - Краснодар, 1974.

42. Канарев Ф. М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. — М.: Машиностроение, 1983. — 142 с.

43. Канарев Ф. М. Теоретические исследования геометрии дискового рабочего органа. // Труды / Куб.СХИ, вып. 29 (57). - Краснодар, 1969. - С.

120-129.

44. Канарев Ф. М., Диденко Б. Н. Об изменении направления реак­ ции почвы на рабочий орган при изменении угла резания. // Труды / Куб.

СХИ. - Вып. 136 (164). - Краснодар, 1976. - с. 3-9.

45. Канарев Ф. М., Кочкин Е. А., Осадчий А. В. Определение удель­ ного сопротивления дискового плуга. // Труды / Куб.СХИ, вып. 29 (57). Краснодар, 1969. - с. 113-117.

46. Кардашевский С. В., Погорелый Л. В., Фудиман Г. М. и др. Ис­ пытания сельскохозяйственной техники. - М.: Машиностроение, 1979. — 288 с.

47. Каспаров Н. Б. Анализ факторов, влияющих на изменение усилия резания при наклонном внедрении лезвия в материал. // Научнотехнический бюллетень / ВИМ. - 1982. - № 51. - С. 18-21.

48. Ковриков И. И. Основные принципы создания машин почвоза­ щитного комплекса // Техника в сельском хозяйстве. - 2000. - № 4. — С. 9Кочетков В. С. Пожнивные и поукосные посевы сельскохозяйст­ венных культур. - Донецк: Донбасс, 1977. - 120 с.

50. Кочкин Е. А,, Василинин В. С. Условия самоочищения и запина­ ния рабочих органов дисковых плугов. // Труды / Куб.СХИ, вып. 103 (131).

- Краснодар, 1975. - с. 58-64.

51. Кузнецов А. И. Скольжение почвы по рабочей поверхности поч­ вообрабатывающих орудий и их залипание. // Труды / Кирг. НИИ земледе­ лия, вып. 2. - Фрунзе, 1959. - С. 169-201.

52. Листопад Г. Е., Канарев Ф. М., Василинин В. С. О силах, дейст­ вующих на рабочий орган дискового плуга. // Доклады В АСХНИЛ, № 8, 1974.-С. 36-39.

53. Листопад И. Д., Сидоренко С. М. Оптимизация отклика в задачах с.-х. производства. - Краснодар: КСХИ, 1985. - 68 с.

54. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпириче­ ских формул. - М.: Высшая школа, 1982. - 224 с.

55. Мантгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных.

- Л. : Судостроение, 1980.-384 с.

56. Маслов Г. Г., Малюга Н. Г., Трубилин Е. И. И др. Природоохра­ нительная технология использования соломы на удобрение. // Рекоменда­ ции. - Краснодар: Полиграфист, 1994. - 26 с.

57. Маслов Г. Г., Небавский В. А. Анализ энергоемкости производ­ ства основных сельскохозяйственных культур и пути ее снижения. // Энер­ госберегающие технологии и процессы в АПК. Труды / КубГАУ, 1999.

Выпуск 371(399), с. 5-12.

58. Мельников С. В., Алешкин В. Р., Рощин П. М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. - Л.: Ко­ лос, 1980.-168 с.

59. Методика определения экономической эффективности техноло­ гий и с.-х. техники. - М.: МСХ и П РФ, 1998. - 219 с.

60. Методы поиска новых технических решений. / Под ред. А. И. Половинкина. - Йошкар-Ола: Марийское кн. изд-во, 1976. - 192 с.

61. Миненко А. К. Микробиологические исследования при изучении минимальной обработки почвы. // Сб. науч. тр. / НИИСХ Центральных районов Нечерноземной зоны. - Вып. 54. - С. 77-82.

62. Налимов В. В., Голикова Т. И. Логические основы планирования эксперимента. - М.: Металлургия, 1980. - 152 с.

63. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планиро­ вания экстремальных экспериментов. — М.: Наука, 1965. — 340 с.

64. Нартов П. С. Дисковые почвообрабатывающие орудия. - Воро­ неж: Изд-во Воронежского университета, 1972. - 182 с.

65. Нартов П. С. Расчет силовых характеристик дисковых рабочих органов. // Механизация и электрификация соц. с.-х., № 9, 1967. - С. 52-54.

66. Нартов П. С. Силовые характеристики свободновращающегося и заторможенного сферического диска (плуга). // Тракторы и сельхозмаши­ ны, 1967-№ 5. - С. 25-26.

67. Нартов П. С, Вершинин В. И. Влияние установки дискового корпуса плуга на качество обработки почвы. // Научн. зап. / ВЛТИ, 31, № 3, 1966.-С. 50-54.

68. Нартов П. С, Шапиро И. И. Моделирование сил взаимодействия рабочих органов с почвой. // Механизация и электрификация соц. с.-х., 1973.-№3.-С. 48-49.

69. Новик Ф. С, Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии ме­ таллов методами планирования экспериментов. - М.: Машиностроение;

София: Техника, 1980.-304.

70. Новоселов Ю. К. Повторные посевы кормовых культур. - М.:

Московский рабочий, 1961.

71. Одрин В. М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989. - 311 с.

72. Одрин В. М., Каратавов С. С. Морфологический анализ систем:

Построение морфологических таблиц. — Киев: Наук, думка, 1977. - 174 с.

73. ОСТ 10 2.11-2000. Машинные технологии производства, хране­ ния и переработки сельскохозяйственной продукции. Методы экономиче­ ской оценки. - М.: Минсельхоз России, 2000. - 17 с.

74. ОСТ 10 1.3-2000. Машинные технологии производства продук­ ции растениеводства. Программа и методы испытаний. - М.: Минсельхоз России, 2000. - 23 с.

75. Перегудов Н. И. Поукосные и пожнивные промежуточные посе­ вы. - Ставрополь: Кн. изд-во, 1972. - 168 с.

76. Петренко И. М., Трубилин А. А., Загорулько Н. А., Кулик В. А. и др. Технологии возделывания кукурузы в Краснодарском крае: рекоменда­ ции. - Краснодар: Агропромполиграфист, 2001. - 89 с.

77. Пильщиков Л. М; Практикум по эксплуатации машиннотракторного парка. - М.: Колос, 1976. — 272 с.

78. Пособие по эксплуатации машинно-тракторного парка. / Фере Н.

Э. и др. - М.: Колос, 1978. - 256 с.

79. Привалов И. И. Аналитическая геометрия. - М.: Наука, 1966. — 272 с.

80. Пронин А. Ф. Факторы, влияющие на тяговое сопротивление плугов. // Изв. / ТСХА, № 5. - М.: Колос, 1966. - С. 177-186.

81. Пустыльник Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. - М.: Наука, 1968. - 288 с.

82. Регулировки тракторов. Справочник / М. С. Горбунов и др. - Л.:

Колос, 1979.-352 с.