Повышение урожайности зерновых культур на основе усовершенствованной технологии и оптимизированного комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева в условиях Центральной части Северного Кавказа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор наук Апажев Аслан Каральбиевич

• Апажев Аслан Каральбиевич
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Апажев Аслан Каральбиевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Зерновое производство и его значение в обеспечении продовольственной безопасности страны

1.2 Почвенно-климатические условия Центральной части Северного Кавказа

1.3 Анализ технологий и технических средств для переработки органических отходов

1.4 Анализ существующих технологий предпосевной подготовки

почвы и посева зерновых культур в Центральной части Северного Кавказа

1.5 Агротехнические требования, предъявляемые к машинам для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур

1.6 Анализ конструкций технических средств для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур

1.7 Анализ теоретических и экспериментальных исследований почвообрабатывающх и посевных машин

1.8 Анализ исследований по повышению работоспособности почвообрабатывающих и посевных машин

1.9 Направления совершенствования почвообрабатывающих и посевных машин

1.10 Выводы по первой главе. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ

УРОЖАЙНОСТИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР НА ОСНОВЕ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДПОСЕВНОЙ 80 ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ И ПОСЕВА

2.1 Системный подход к обоснованию технологических и технических

решений

2.2 Концепция ресурсосберегающей технологии предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур

2.3 Структурная модель технологии предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур

2.4 Концепция математического моделирования технологических процессов предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур

2.5 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОСНОВАНИЮ КОМПЛЕКСА МАШИН ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ И ПОСЕВА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

3.1 Технологическое и техническое обеспечение процесса приготовления и внесения биоудобрений

3.1.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы биореактора

3.1.2 Технологическая схема приготовления и внесения биоудобрений

3.2 Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата

3.2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного почвообрабатывающего агрегата

3.2.2 Математическое моделирование процесса взаимодействия плуга комбинированного почвообрабатывающего агрегата с почвой

3.2.3 Математическое моделирование процесса взаимодействия активного рабочего органа комбинированного почвообрабатывающего агрегата с почвой

3.2.4 Энергетический анализ процесса работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата

3.3 Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

3.3.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

3.3.2 Математическое моделирование процесса работы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

3.4 Теоретическое обоснование усовершенствования зерновой сеялки

3.4.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы усовершенствованной зерновой сеялки

3.4.2 Математическое моделирование процесса работы магнитного высевающего аппарата

3.4.3 Математическое моделирование процесса работы усовершенствованной зерновой сеялки

3.5 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Программа экспериментальных исследований

4.2 Методика исследования конструктивно-режимных параметров биореактора

4.3 Методика исследования конструктивно-режимных параметров комбинированных почвообрабатывающих агрегатов

4.3.1 Определение физико-механических характеристик почвы

4.3.2 Методика исследования показателей работоспособности плуга комбинированного почвообрабатывающего агрегата

4.3.3 Методика проведения тяговых испытаний комбинированных почвообрабатывающих агрегатов

4.4 Методика исследования конструктивно-режимных параметров усовершенствованной зерновой сеялки

4.4.1 Определение липкости и влажности почвы

4.4.2 Методика проведения тяговых испытаний дискового сошника-

ножа усовершенствованной зерновой сеялки

4.4.3 Методика исследования магнитного высевающего аппарата

4.4.4 Методика оценки качественных показателей работы усовершенствованной зерновой сеялки

4.5 Методика обработки результатов экспериментальных исследований

4.6 Методика планирования многофакторных экспериментов

4.6.1 Планирование многофакторного эксперимента по исследованию параметров комбинированного почвообрабатывающего агрегата

4.6.2 Планирование многофакторного эксперимента по исследованию параметров комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

4.7 Методика проведения полевых исследований

4.7.1 Методика закладки полевых опытов по установлению качественных показателей работы комбинированных почвообрабатывающих агрегатов

4.7.2 Методика исследования работоспрособности резьбовых соединений плуга комбинированного почвообрабатывающего агрегата в полевых условия

4.7.3 Методика закладки полевых опытов по установлению влияния усовершенствованных технологических процессов и технических средств на урожайность зерновых культур

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Оптимизация конструктивно-режимных параметров биореактора

5.2 Оптимизация конструктивно-режимных параметров комбинированного почвообрабатывающего агрегата

5.2.1 Результаты исследования соединений плуга комбинированного почвообрабатывающего агрегата

5.2.2 Оптимальные конструктивно-режимные параметры комбинированного почвообрабатывающего агрегата

5.3 Оптимизация конструктивно-режимных параметров комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

5.4 Оптимизация конструктивно-режимных параметров усовершенствованной зерновой сеялки

5.4.1 Влияние физико-механических свойств почвы на процесс работы усовершенствованной зерновой сеялки

5.4.2 Влияние конструкции дискового сошника-ножа на тяговое сопротивление усовершенствованной зерновой сеялки

5.4.3 Влияние формы профиля борозды на характер распределения

семян

5.5 Результаты полевых исследований

5.5.1 Влияние конструктивно-режимных параметров комбинированного почвообрабатывающего агрегата на качественные и эксплуатационные показатели работы

5.5.2 Влияние параметров и режимов работы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа на качественные показатели работы

5.5.3 Влияние конструктивно-режимных параметров усовершенствованной зерновой сеялки на качественные и эксплуатационные показатели работы

5.5.4 Влияние усовершенствованных технологических процессов и технических средств на урожайность зерновых культур

5.6 Выводы по пятой главе

ГЛАВА 6 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ОПТИМИЗАЦИИ КОМПЛЕКСА МАШИН ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ И ПОСЕВА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

6.1 Результаты расчета энергетической эффективности

6.2 Результаты расчета экономической эффективности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Заключения о научно-исследовательской работе

Приложение Б. Апробация результатов исследования

Приложение В. Экспонирование результатов исследования

Приложение Г. Патенты РФ на изобретения и полезные модели

Приложение Д. Акты внедрения результатов научно-

исследовательских работ

Приложение Е. Результаты расчетов оптимизации параметров и

режимов работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата

Приложение Ж. Результаты расчетов оптимизации параметров и

режимов работы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

Приложение 3. Исходные данные для проведения расчета

энергетической эффективности

Приложение И. Исходные данные для проведения расчета экономической эффективности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение урожайности зерновых культур на основе усовершенствованной технологии и оптимизированного комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева в условиях Центральной части Северного Кавказа»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Для обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации одним из приоритетных направлений экономической и продовольственной политики государства является поэтапное снижение зависимости отечественного агропромышленного комплекса от импорта технологий, машин, оборудования.

В соответствии с Указом Президента РФ №120 от 30.01.2010 г. «Об утверждении доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации», производство зерна является одним из критериев оценки состояния продовольственной безопасности страны. Для достижения показателей Доктрины продовольственной безопасности страны распоряжением Правительства РФ от 7 июля 2017 г. №1455-р была утверждена «Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России на период до 2030 г.», где отдельно выделены «плуги, бороны, сеялки и т.д.», для которых определены пути их развития - увеличение производительности, обеспечение безопасности и защиты окружающей среды, улучшение экономических показателей (снижение расходов на горюче-смазочные материалы).

В последние годы в Центральной части Северного Кавказа особую остроту приобрела проблема переработки органических отходов, концентрация которых в больших объемах на ограниченной территории создает опасные очаги загрязнения окружающей среды. В то же время они являются идеальным сырьем для приготовления дешевых комплексных биоудобрений, использование которых позволит повысить плодородие почв и увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.

При предпосевной подготовке почвы в Центральной части Северного Кавказа при возделывании зерновых культур зачастую используются однооперационные почвообрабатывающие машины и агрегаты. Многократные проходы машин и агрегатов повышают энергетические затраты, приводят к уплотнению почвы, возникновению и развитию эрозионных процессов. Кроме

того, низкая работоспособность агрегатов, рабочих органов, узлов их соединений приводят к снижению производительности, вследствие чего технологический процесс предпосевной подготовки почвы не выполняется в оптимальные агротехнические сроки. В связи с этим требуется дальнейшее совершенствование почвообрабатывающих машин и агрегатов.

Средний урожай зерновых культур в Центральной части Северного Кавказа достаточно низок (3.4 т/га). Это связано с тем, что применяемые в регионе зерновые сеялки не отвечают агротехническим требованиям, так как допускают повышенное травмирование семян и неравномерное их распределение по глубине. Даже при небольшом повышении влажности почвы резко возрастает тяговое сопротивление, ухудшается качество работы, что вызывает перерасход ГСМ и семян и недобор продукции. Снижение тягового сопротивления зерновых сеялок и травмирования семян, повышение равномерности их распределения можно достигнуть использованием полимерных накладок на дисковых сошниках и магнитных высевающих аппаратов.

В связи с изложенным, усовершенствование технологии и оптимизация комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева, обеспечивающих повышение урожайности зерновых культур при минимальном воздействии на почву, сохранение и повышение ее плодородия является актуальной проблемой в условиях Центральной части Северного Кавказа.

Решению этой проблемы и посвящены научные исследования по данной диссертационной работе, выполнявшиеся в соответствии с Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 гг. согласно заказам МСХ РФ (государственная регистрация ФГАНУ ЦИТиС №АААА-А16-116122610005-5 от 26.12.2016 г. и №АААА-А17-117120620151-1 от 06. 12. 2017 г.) и тематического плана научных исследований ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ.

Выдвинута научная гипотеза: повышение урожайности зерновых культур в Центральной части Северного Кавказа возможно за счет усовершенствования

технологии и оптимизации комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева, адаптированных к условиям региона.

Степень разработанности темы исследования. Проблеме обработки почвы посвящены работы В.П. Горячкина, В.А. Желиговского, Г.Н. Синеокова, В.М. Баутина, В.В. Бледных, В.В. Васильева, И.В. Горбачева, Э.В. Жалнина, Ф.М. Канарёва, А.И. Любимова, И.П. Макарова, А.Ю. Несмияна, В.М. Халанского, М.Н. Чаткина, А.П. Яцука и др. Исследованию процессов взаимодействия технических средств с почвой при ее обработке посвящены работы В.П. Горячкина, В.А. Желиговского, A.B. Байбакова, Т.С. Байбулатова, В.В. Бледных, В.А. Богомягких, Н.С. Краснощекова, Ю.И. Кузнецова, А.Ю. Несмияна, И.М. Панова, Н.Е. Резника, Г.Н. Синеокова, Ю.А. Шекихачева, М.Н. Чаткина, С.А. Шишлова, Л.М. Хажметова и др. Вопросам посева зерновых культур посвящены работы Х.П. Аллена, В.А. Бахмутова, П.А. Бондаренко, A.A. Будагова, Е.В. Демчука, В.Н. Зволинского, В.А. Лаврухина, Н.И. Любушко, А.Ю. Несмияна, М.Ф. Сенина, М.Н. Чаткина и др. Изучению процесса работы высевающих аппаратов посвящены работы Н.В. Алдошина, A.B. Белинского, И.В. Горбачева, Ф.М. Канарёва, Н.И. Любушко, А.Ю. Несмияна, Л.А. Новицкого, С.А. Ma, М.Н. Чаткина и др. Проблеме повышения работоспособности машин и агрегатов посвящены исследования И.А. Биргера, А.У. Бугова, А.И. Селиванова, Р.Б. Кугеля, Н.С. Ждановского, С.А. Иофинова, А.Н. Розенбаума, A.M. Егожева, И.А. Мишина, Ю.Н. Артемьева, Ф.К. Алиева, П.М. Волкова, П.А. Власова, A.C. Вольфсона, Л.М. Клятиса, С.С. Дмитриченко и др. Моделированием сложных технических систем занимались В.В. Бледных, Н.П. Бусленко, В.Н. Волков, A.A. Гафаров, Б.Д. Докин, A.M. Иванов, А.Б. Лурье, А.Н. Медовник, О. Ope, Ф.И. Перегудов, М.Ф. Сенин, С.О. Ситиц, Л.А. Шомахов и др.

Данная работа дополняет эти исследования путем усовершенствования технологии и оптимизации комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур с учетом почвенно-климатических условий Центральной части Северного Кавказа, обеспечивающих повышение урожайности.

Цель исследования - решение проблемы повышения урожайности зерновых культур на основе усовершенствованной технологии и оптимизированного комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева в условиях Центральной части Северного Кавказа.

Задачи исследования:

1. Провести анализ почвенно-климатических условий Центральной части Северного Кавказа и их влияние на эффективность технологий и функционирования технических средств при предпосевной подготовке почвы и посеве зерновых культур.

2. Разработать методологические основы повышения урожайности зерновых культур на основе ресурсосберегающей технологии предпосевной подготовки почвы и посева.

3. Обосновать технологическую схему, техническое средство и способ приготовления и внесения биоудобрений.

4. Усовершенствовать технологию предпосевной обработки почвы, обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного почвообрабатывающего агрегата, исследовать процесс взаимодействия его рабочих органов с почвой, оптимизировать параметры и режимы работы.

5. Разработать новые конструктивные решения и математические модели для тяжелонагруженных резьбовых соединений деталей рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего агрегата с повышенной прочностью и долговечностью.

6. Обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного почвообрабатывающего шлейфа, исследовать процесс взаимодействия его рабочих органов с почвой, оптимизировать параметры и режимы работы.

7. Усовершенствовать технологию посева зерновых культур и конструкцию зерновой сеялки, исследовать процесс ее работы, оптимизировать параметры и режимы.

8. Выполнить сравнительные производственные испытания, оценить энергетическую и экономическую эффективность использования

усовершенствованной технологии и оптимизированного комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур.

Объект исследования - технология и комплекс машин для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур.

Предмет исследования - взаимосвязь кинематических, конструктивных и энергетических параметров комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур, а также зависимость их параметров и режимов работы от характеристик почвенных условий и высеваемого материала.

Научная новизна результатов исследования:

- методологические основы повышения урожайности зерновых культур на основе ресурсосберегающей технологии предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур, заключающиеся в предложенных структурных и концептуальных моделях, адаптированных к условиям Центральной части Северного Кавказа;

- методология переработки органических отходов с получением и внесением биоудобрений в почву, обеспечивающих повышение плодородия почвы;

- методики расчета конструктивно-технологических параметров ресурсосберегающего комплекса машин: комбинированного почвообрабатывающего агрегата, комбинированного почвообрабатывающего шлейфа и усовершенствованной зерновой сеялки;

- конструктивно-технологические схемы и оптимальные параметры комплекса машин для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур: комбинированного почвообрабатывающего агрегата и комбинированного почвообрабатывающего шлейфа, позволяющих измельчать почвенные глыбы и комки с одновременным выравниванием поверхности почвы и обеспечивающие минимальное воздействие на почву; усовершенствованной зерновой сеялки, обеспечивающей снижение тягового сопротивления и соответствующее агротребованиям качество посева;

- новые конструктивные решения крепежных деталей комбинированного почвообрабатывающего агрегата и методика их расчета, обеспечивающие повышение работоспособности агрегата;

- регрессионные математические модели для оптимизации конструктивных параметров и режимов работы предлагаемого комплекса машин, используемых при предпосевной подготовке почвы и посеве зерновых культур.

Теоретическая и практическая ценность работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в усовершенствованной технологии и комплексе машин для предпосевной подготовки почвы и посева зерновых культур, позволяющих повысить урожайность зерновых культур при одновременном снижении энергетических затрат.

Результаты исследований одобрены и рекомендованы к внедрению Министерством сельского хозяйства КБР. Материалы исследований используются на полях учебно-производственного комплекса ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, КФХ «Черкесов А.Ж.», ООО НП «Шэджэм», ОАО «Племсовхоз «Кенже», ООО «Агроконцерн «Золотой колос».

Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ.

Методология и методы исследований. Исследования проводили с использованием методов системного анализа, математического моделирования и структурного анализа технологических процессов на основе законов классической механики, математической статистики, теории планирования многофакторного эксперимента. Исследования проводились в соответствии с требованиями межгосударственных стандартов и частных методов. Обработка результатов экспериментов выполнена с использованием программных продуктов Microsoft Excel 2010, Mathcad Prime 3.0.

Положения, выносимые на защиту:

- методологические основы повышения урожайности зерновых культур на основе ресурсосберегающей технологии предпосевной подготовки почвы и

посева зерновых культур, заключающиеся в предложенных структурных и концептуальных моделях, адаптированных к условиям Центральной части Северного Кавказа;

- методология переработки органических отходов с получением и внесением биоудобрений в почву;

- усовершенствованная технология и оптимизированный комплекс машин для предпосевной обработки почвы и посева, обеспечивающие качественную подготовку почвы и посев в соответствии с агротехническими требованиями;

- математические модели, позволяющие оптимизировать конструктивные параметры и режимы работы комплекса машин для предпосевной обработки почвы и посева зерновых культур;

- показатели сравнительных производственных испытаний, энергетической и экономической эффективности использования усовершенствованной технологии и оптимизированного комплекса машин для предпосевной обработки почвы и посева зерновых культур.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается использованием методов механики, математического моделирования и оптимизации, адекватностью полученных уравнений регрессии реальным физическим процессам, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований доложены и получили одобрение на н.-пр. конф. ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ (г. Нальчик, 1999, 2001, 2002, 2006, 2008, 2011, 2014, 2016); ФГБНУ Северо-Кавказский НИИГПС (г. Нальчик, 1997); ФГБОУ ВО «Майкопский государственный технологический университет» (г. Майкоп, 2002); ФГБОУ ВО Ставропольский ГАУ (г. Ставрополь, 2006, 2011, 2015); ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГУ (г. Нальчик, 2009); ФГБОУ ВО Горский ГАУ (г. Владикавказ, 2010); ФГБОУ ВО Дагестанский ГАУ (г. Махачкала, 2010); на Международных н.-пр. конф.: «Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК» (г. Ставрополь, 2015); «Новая наука: теоретический и

практический взгляд» (г. Стерлитамак, 2016 г.); «Потенциал современной науки» (г. Прага, 2016); «Научная мысль XXI века» (г. Кишинев, 2016 г.); «Научно-информационное обеспечение инновационного развития АПК» (г. Москва, 2016 г.); «Интеграция науки и практики в современных условиях» (г. Минск, 2016); «Вопросы современной науки: проблемы, тенденции и перспективы» (г. Астана, 2016); «Последние тенденции в области науки и образования» (г. Душанбе, 2017 г.); «Наука, образование, инновации: апробация результатов исследований» (г. Прага, 2017 г.); «Актуальные проблемы современной науки в XXI веке» (г. Душанбе, 2017 г.); «Результаты современных научных исследований и разработок (г. Минск, 2017 г.); «Вопросы науки и образования: теоретические и практические аспекты» (г. Прага, 2017 г.); «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения» (г. Душанбе, 2017 г.); «Теоретические и практические аспекты развития науки и образования в современном мире» (г. София, 2017 г.).

Разработанный комплекс машин отмечен дипломами и медалями Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (г. Москва, 2014-2017 гг.), Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал» (г. Ставрополь, 2012, 2015-2017 гг.) и Международной выставки «Прохладненская ярмарка» (г. Прохладный, 2016, 2017 гг.), Международных конкурсов «Лучшая научная работа» (г. Минск, 2016 г., г. Астана, 2016 г., г. Душанбе, 2017 г.).

Публикации результатов исследования. По теме исследований опубликованы 62 печатные работы, в том числе 15 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, 10 - в описаниях к патентам на изобретения и полезные модели, 7 - монографии, брошюры и рекомендации. Общий объем публикаций составляет 79,3 п.л., из них 59,6 п.л. принадлежит автору.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 9 приложений, содержит 348 страниц машинописного текста, в том числе 176 рисунков и 39 таблиц. Список литературы включает 332 наименования литературных источников, в т.ч. 16 источников на иностранных языках.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Зерновое производство и его значение в обеспечении продовольственной

безопасности страны

Продовольственную безопасность страны в современных условиях можно обеспечить, основываясь на концепции самообеспечения, гарантирующей устойчивость и эффективность функционирования отечественного сельхозпроизводства [30, 32, 35, 36, 53]. Этого можно достигнуть, если обеспечить необходимый уровень производства зерна в стране ввиду того, что оно является незаменимой продовольственной и ресурсно-сырьевой основой, как конкретного региона, так и всей цивилизации [139].

Значимость зерновых подтверждается показателями, разработанными ФАО:

1. Соотношение мировых запасов зерна и мирового потребления, которое позволяет оценить степень обеспечения продовольствием и гарантий на случай ЧС (норма - 17%).

2. Состояние зернового производства.

3. Соотношение предложения и спроса на зерно.

4. Количество запасенного зерна в странах, его экспортирующих.

5. Тренды зернового производства (Индия, Китай и СНГ).

6. Тренды зернового производства в развивающихся странах, импортирующих зерно.

7. Экспортные цены на зерно.

В России, наряду с Польшей, Венгрией, Румынией, Японией - зерновые занимают 60.65% посевных площадей [128]. В ведущих по производству зерна регионах удельный вес зерновых культур в посевной площади равен: Уральский -89%, Сибирь и Поволжье - 58.59%, Центрально-Черноземный и СевероКавказский - 50%.

В нашей стране наибольшее развитие получило производство продовольственного зерна, доля которого составляет 60% и больше всего

валового сбора. К примеру, для стран ЕС эта цифра равна 50...56%, для США -менее 30%. Норма потребления продовольственного зерна, составляющая 165 кг/чел., в основном удовлетворяется [135].

Импортируя десятки миллионов тонн зерна ежегодно, СССР с 1970-х годов исправно финансировал развитие зерновую инфраструктуру иностранных государств, но никак не собственного зернового хозяйства. Наличие огромного количества легкодоступного зерна способствовало иждивенчеству, неэффективному скармливанию продовольственного зерна животным, значительным потерям [204].

Нацеленность на достижение результатов любой ценой порождало неэффективный механизм хозяйствования и нереалистичные планы производства. Хронические срывы производства следовали один за другим.

В настоящее время наблюдается тенденция возрастания значения прогнозов развития для аграрного производства. В сельском хозяйстве имеет место проблема: заметное влияние погодных факторов на рыночную ситуацию.

Общепризнанны прогнозы развития, которые разрабатываются Департаментом сельского хозяйства США. В базовом проекте развития мировой торговли на ближайшие службы экономических исследований отмечается, что экономический рост развивающихся стран обосновывает дальнейшее повышение спроса на сельскохозяйственную продукцию.

Резкое падение спроса на кормовое зерно, которое вызвано структурными преобразованиями в стране, закончилось. Увеличение роста животноводческой продукции с акцентом на внутренние ресурсы способствует тому, что растет спрос на кормовое зерно, и оно выступает как стимулятор торговли, так как у многих регионов отсутствует требуемый потенциал для кормового зернопроизводства, вызванный территориальными или агроклиматическими ограничениями.

Для избежания повторной импортозависимости необходимо наращивание производства зерна этой группы, что увязано с импортозамещением мяса и мясопродуктов и повышением спроса на них.

В кормовом балансе в настоящее время 50% занимают пшеница и рожь, которые по качеству и количеству белка заметно уступают ячменю и зернобобовым культурам. Прогнозируется, что площади под ячмень вырастут с 37,6% в 2005 г. до 41,6% в 2010 г.; прогнозируются изменения площадей под озимую пшеницу и рожь - с 41,1 до 25,9%; по кукурузе - с 5,4 до 10,7%, овсу - с 6,1 до 7,2%; зерно-бобовым - с 7,2 до 12,6% и по прочим - с 2,6 до 2,0% соответственно [135].

На данный момент одним из трех стратегических направлений развития отечественного агропромышленного комплекса - наращивание производства зерна с ориентацией на экспорт, другие два - развитие животноводства и обеспечение сохранности аграрных ландшафтов и «социалки».

Наиболее важное и сложно реализуемое условие устойчивого обеспечения продовольствием - расширение экспорта продукции агропромышленного комплекса. Это позволит как оптимизировать платежный спрос страны, снизить зависимость экономики от мировых цен и конъюнктуры у потребителей российских энергоносителей и минерального сырья, так и поддержать внутренние цены на сельскохозяйственную продукцию, и тем самым повысит финансово-экономическую устойчивость национального аграрного сектора.

В последнее время можно заметить, что экспорт продовольствия в современном мире служит не только экономическим целям, помогая улучшить платежный баланс и повысить активность, но и становится высокоэффективным средством политического влияния и давления.

Решение перспективных задач животноводства потребует увеличения количества зерна до 60 млн. т. [204].

Тренды последнего времени, которые обеспечили практически полное удовлетворение потребностей страны в зерне, многими учеными оцениваются как неустойчивые. Нуждающаяся в коренном улучшении обеспеченность материально-техническими ресурсами, долги сельских товаропроизводителей, с одной стороны, и унаследованная с советского периода стратегия погони за наибольшими урожаями и игнорирование параметров устойчивости определяют

главную проблему зернового производства в нашей стране - низкая урожайность зерновых культур и ее нестабильность [271].

Устойчивое развитие зернового производства, как главного составляющего системы обеспечения продовольственной безопасности, возможно при условии функционирования с минимумом «люфта» и максимумом роста ежегодных показателей, т. е. при использовании с наибольшей эффективностью сложившихся на современном этапе развития реалий [20, 29, 30].

1.2 Почвенно-климатические условия Центральной части Северного

Кавказа

Природно-климатические факторы существенно влияют как на агробиологическую сторону сельскохозяйственного производства, так и на выбор тех или иных средств механизации для возделывания культур.

Агропромышленноый комплекс Северо-Кавказского региона включает отрасли производства переработки и транспортировки сельхозпродукции [266, 269, 313] .

Главная проблема агропромышленного комплекса - обеспечение сбалансированного развития составляющих отраслей [284]. К примеру, низкие темпы развития перерабатывающей отрасли способствуют росту потерь сельхозпродукции (они могут достигать 30% урожая) [105, 266, 269].

Основным звеном агропромышленного комплекса считается сельское хозяйство, которое обеспечивает производство более 50% продукции данного комплекса. Здесь сосредоточено примерно 70% основных фондов агропромышленного комплекса [313].

Специфика сельскохозяйственного производства определяется его сезонным характером. Данное обстоятельство определяет существенное влияние почвенно-климатических характеристик региона на него. Кроме того, это является причиной неравномерности загрузки трудовых ресурсов на протяжении сезона, неравномерности в производстве сельхозпродукции и финансовых средств.

Отрасли сельхозироизводства размещаются под влиянием следующих факторов: физико-механические характеристики почв; длительность сезона с положительной температурой; теплообеспеченность; обеспечение достаточным количеством солнечной энергии; влажность; рельеф местности и др.

В Центральной части Северного Кавказа выделяют степную, предгорную и горную зоны.

В степной зоне культивируется производство зерновых, зернобобовых, крупяных, овощных, технических, масличных культур.

Сельхозтоваропроизводители в данной зоне занимаются также виноградарством и плодоводством.

Для степной зоны характерно недостаточное увлажнение [281]. Выпадение осадок характеризуется крайней неравномерностью и не обеспечивают оптимальный водный режим для сельхозкультур.

Среднегодовое колебание суммы осадков в течение периода вегетации периода таково: озимые культуры - 189.382 мм, яровые колосовые - 97.269 мм [163].

Господствующие ветры - восточные и северо-восточные, зачастую сухие и в летнее, и в зимнее время.

Среднемесячная температура июля составляет 24,7°С. Максимальное значение 38.420С.

Среднегодовое количество осадков - 412 мм, среднегодовая температура +9,10С.

Зона располагается на высоте 550. 800 м над уровнем моря.

Рельеф пахотных земель - предгорная равнина с уклоном до 20.

Значение влажности воздуха в течение вегетационного периода составляет 73%, временами понижается до 35.40%. Данное обстоятельство является причиной дефицита влаги в почве.

Господствующие ветра - восточные и северо-восточные.

Среднемесячная температура в июле 21,70С, среднегодовая 8,60С, максимальная 37. 390С.

Осадков в зоне выпадает в среднем 615 мм в год.

Отмечаются некоторые колебания влажности в течение года. Среднегодовая влажность 76%. В то же время наибольшая влажность имеет место в марте, октябре и ноябре (80.81%), наименьшая в августе (70%). Третья декада июля характеризуется максимальной средней температурой (24,5°С).

Таким образом, в предгорной зоне наблюдается хорошее соотношение между количеством выпадающих осадков и приходом тепла. Следовательно, имеется возможность получать устойчивые, высокие урожаи основных возделываемых культур.

Согласно природных условий горная зона является менее благоприятной для земледелия в сравнении с остальными. Сложный рельеф и сильная скелетность почв являются причиной ограниченности в пахотных ресурсах. По этой же причине использование современных сельхозмашин является довольно затруднительным [60].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Апажев Аслан Каральбиевич, 2018 год

- '

Я * 0.3 м

Рисунок 3.30 - Влияние глубины обработки почвы на угол установки ножа

(Г б =250)

При = 0,7, = 0,2 м, У б =250 и Ь=0,1 м получим, что Т = 150. Высоту расположения барабана рабочего органа относительно обрабатываемой поверхности определяет угол Т (рисунки 3.31 и 3.32):

Ь* =( Я + ^) (Д-г). (3.82)

Рисунок 3.31 - Схема к установлению ЬБ

Глубина офаботкц м

-о- Де=0,2 м -о- ЯБ = 0,25 м ^=0,1 м

Рисунок 3.32 - Влияние глубины обработки почвы на высоту расположения

барабана относительно обрабатываемой поверхности (Уб =250).

Ряд исследователей [136, 229, 269, 306, 316] полагают, что абсолютная скорость частицы почвы при отрыве от лезвия равна сумме окружной скорости конечной точки лезвия и скорости передвижения агрегата. Также сопротивление воздуха не учитывается. При проведении расчетов принимаем эти допущения.

При обработке почвы ножи рабочего органа комбнированного почвообрабатывающего агрегата погружаются в почву и одновременно смещаются в сторону. При этом осуществляется уплотнение почвы тыльной поверхностью ножа.

Вследствие смещения ножа осуществляется сдвиг почвы в сторону, выравнивается поверхность поля, а в процессе поступательного передвижения осуществляется рыхление поверхностного слоя почвы.

Дифференциальные уравнения движения почвенных частиц с использованием рисунков 3.33, 3.34 и 3.35:

X — V - VAx)t-Rн япе V = V + Я эт уБ

X = У^ -- Я соэе

где УАх, Уа и Уа2 - составляющие абсолютной скорости, м/с. Составляющие абсолютной скорости равны:

уах = уАж соэ / = уА соэ /соэ - е),

УА. =УАху = СОЭ %2 ,

уа = УА, = уаэ1п/1соэ(/ -))

(3.83)

(3.84)

(3.85)

(3.86)

С учетом (3.84)...(3.86) из (3.83) имеем:

X = |УЯ -УАсоБ/1 (соэ/соэ) ЭШ/ эте)] - К БГЛ) У = УАэ1п /1 соэ / + К э1п У б

X = УА э1п Х\ (соэ Х\ соэ ) + э1п /эт е) - - к соэ е

(3.87)

Согласно рисунку 3.35:

Рисунок 3.35 - Схема к исследованию траектории движения частицы почвы

sin^i

VA

■sin^

co^i =

VA _Vn -V0xZCOS^

V

axz

V

CO^2 =■

V - Vor V -VOB COs ГБ

Va

(3.88)

(3.89)

(3.90)

axy axy

Абсолютные скорости можно рассчитать по выражениям:

V,

V.

oxz + V2 =

я

v ^VvOXY^=Vox

-Vi+i2, ■VT+I2,

(3.91)

(3.92)

AXY V OXY 11 I

где А - кинематический параметр.

Подставляем (3.91) и (3.92) в (3.88)...(3.90) и после преобразований получим:

i sin £

sm^i =

COs^i =

COs^2

Vi + i2 '

1 - Я cos^

VT+I2 :

1 - Л cosyE

VT+I2

(3.93)

(3.94)

(3.95)

Учитывая зависимость

Va = 4V2 + V2 =

(3.96)

система уравнений (3.87) примет вид

V I

1 1 -Л COs£/ \

1--, (cos g + Л cos2^ j

л/í+I2

t-(R + ^jsin£

Y:

Z =

V

V1+ I

Vo л1+Л2

r sin £(1 -1 cos уБ jt + (R^ + h^ jsin

Гб

(3.97)

sin £(cos £ +1 cos 2£ jt - — t2 - (r^ + h^ jcos £

Система (3.97) описывает траекторию полета частицы почвы, учитывая физико-механические свойства почвы и параметры комбинированного почвообрабатывающего агрегата.

Необходимо установить значение угла, определяющего положение ножа при отрыве частицы почвы от его боковой поверхности. Для этого воспользуемся рисунками 3.36, 3.37 и 3.38.

Составим уравнение равновесия:

где Спч - сила тяжести частицы почвы, Н;

Бцб - центробежная сила инерции частицы почвы, Н;

БТР - сила трения частицы почвы о поверхность ножа, Н;

N - сила нормальной реакции, Н.

Проекции сил на координатные оси таковы:

^ = ^ - = 0

(3.98)

^ = — + ^ = 0

(3.99)

= РТр

Б

ЦБъ

ъпч, = 0

где Б

БТР , БТр - составляющие силы трения почвенной частицы о

поверхность ножа, Н;

Б

ЦБх

- составляющие центробежной силы инерции почвенной

частицы, Н;

—Х , NY - составляющие силы нормальной реакции, Н; ^пчг - составляющая силы тяжести почвенной частицы, Н. Здесь:

Бцбх = БЦБ ео*ГБ ^^ Рд^ = Бцб ЫЪГБ ,

РДБ2 = е°8УБ ^^

N =

(3.100)

(3.101)

(3.102)

(3.103)

К

пи * ик,,

Рисунок 3.38 - Схема сил, действующих на почвенную частицу в момент отрыва

от боковой поверхности ножа

Из (3.99) получим:

Ny = N cos

FTp = Ntg^HK

nx

С учетом выражений (3.131) и (3.134) получим из (3.137): N sin уБ = F^ cos sin s.

N = F^ctgyE sins.

(3.104)

(3.105)

(3.106)

(3.107)

(3.108)

Центробежная сила инерции почвенной частицы рассчитывается так:

БЦБ = Щч^Б^Я ,

где щ - масса почвенной частицы, кг;

а>Б - угловая скорость рабочего органа, с-1. С учетом выражения (3.109) получим:

N = щпчт2БЯне\%уБ б1П£ . Из (3.99) также получим:

(3.109)

F

TP

ЦБЪ

G

пчZ

Здесь

FTP = Ntg^w и Gn4 = шпч g. Тогда зависимость (3.111) перепишется в виде: шпчо)2БК^фнкctgy^ sins = шпчф2бЯн cos y£ coss + шпчg . После некоторых преобразований [101] имеем:

(3.110)

(3.111)

(3.112)

(3.113)

smyE

со2Б^н

ЧГь

2 £ ^ £ tg22+-

smyE +

co2eRh

tgYb

= 0

(3.114)

В результате решения уравнения (3.114) устанавливается зависимость для расчета значения угла отрыва частицы почвы от боковой поверхности ножа (рисунок 3.39):

I

13 и Ь 16 17

Углодая скорость. 1/с Я - 0,2 м -о- £ -0.25 м

Я - 0.3 м

Рисунок 3.39 - Зависимость угла отрыва частицы почвы от боковой поверхности ножа от угловой скорости вращения барабана (^ = 0,1 ми /Б = 250)

е = 2агс^

У^КН соэуБсХ%уБ + g2 -1 ®2БКн соэ уБ - g

(3.115)

Согласно выражению (3.115) £ = 25.30 .

Таким образом, в результате проведенных теоретических исследований установлены рациональные значения основных параметров предлагаемого комбинированного почвообрабатывающего агрегата, оказывающих определяющее влияние на процесс его работы:

- скорость передвижения Уп = 1,5.2,0 м/с;

- угол атаки рабочего органа УБ = 20. 300;

- угловая скорость вращения рабочего орган соБ = 20.25 с-1.

3.2.4 Энергетический анализ процесса работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата

Общее тяговое сопротивление комбинированного почвообрабатывающего агрегата определяется влиянием следующих факторов:

- сопротивление срезу;

- сопротивление, которое зависит от веса почвенного пласта;

- сила инерции; сцепление с почвой;

- вес плужного корпуса;

- сопротивление рабочей и сопротивление несущей (нижней и боковой) поверхностей.

Определяюще на тяговое сопротивление влияют твердость и плотность почвы, сопротивление скольжению вдоль поверхности рабочих частей, сцепление с почвой, особо проявляющееся на влажных глинистых почвах.

Значение тягового сопротивления плуга рассчитывается по выражению

[137]:

Р = Ю + каЪп + sV2abn, (3.116)

где Г - коэффициент, определяемый технологическими свойствами почвы и состоянием рабочей поверхности корпуса (Г = 0,5... 0,9); О - сила тяжести, Н;

£ - коэффициент, определяемый формой рабочих поверхностей и состоянием почвы, кПа с2/м2 (£ =1,5...9,0 кПа с2/м2); V - скорость передвижения, м/с. Величину тягового сопротивления комбинированного

почвообрабатывающего агрегата можно рассчитать по выражению:

К = Ях + К + Яя , (3.117)

где К - сопротивление перекатыванию барабана рабочего органа, Н;

-сопротивление, определяемое рельефом участка, Н.

Величину R можно рассчитать по выражению:

R = fu , (3.118)

где fM - коэффициент, характеризующий сопротивление перекатывания барабана;

Gg - вес технологического груза, Н.

R =±(G+G^ + 0,75G£) sin a, (3.119)

где G - вес трактора, H;

G^ - вес КПА, Н;

ОС - угол подъема, град. Зависимость для установления значения приведенного тягового сопротивления комбинированного почвообрабатывающего агрегата, учитывая изложенное, запишется в виде:

RP = R + Rom , (3.120)

где Rsom - сопротивление BOM ( Н), которое равно:

Явом = 3,6(Nх + Np)^КЛвом, (3.121)

где ^ - мощность холостого хода, кВт;

Nр - мощность на обработку почвы, кВт;

Ур - скорость передвижения комбинированного почвообрабатывающего агрегата, м/с;

Т]мт - КПД, учитывающий механические потери в трансмиссии;

г1вом - КПД вала отбора мощности.

Мощность, которая необходима для осуществления обработки почвы комбинированного почвообрабатывающего агрегата, рассчитывается по выражению:

N = ^ер + ^ + + ^од, (3.122)

где NПEP - мощность на перемещение агрегата, кВт; N<3^ - мощность на обработку почвы, кВт; N7^ - мощность на преодоление трения в передачах, кВт; NПод - мощность на подталкивание агрегата. Мощность Nшp равна:

N = Ю^У (3123)

ГЧдЕР \п, V /

где А - коэффициент, характеризующий сопротивление качению;

Vп - скорость перемещения, м/с. Мощность N0^ рассчитывается по выражению:

^^ = Nд + ^^, (3.124)

где Nд - мощность на деформирование почвы, кВт; ^отв - мощность на отбрасывание почвы, кВт. Мощность Nд рассчитывается так:

Кд =103 Кдхгьн£н2нп, (3.125)

где КД - коэффициент, характеризующий сопротивление деформации почвы, МПа;

Х2 -подача на один нож, м; Ъя - ширина ножа, м;

- длина ножа, м;

- количество ножей, шт;

п - число оборотов барабана, об/мин. Величина Х2 рассчитывается так:

Хг = 60-^, (3.126)

пгяр

где 2нр - количество рядов ножей, шт. Мощность NOTБ будет:

К^ = о ^К0ВР1нУпУ2нр, (3.127)

где К0 - коэффициент, характеризующий отбрасывание частиц почвы; Бр - ширина захвата рабочего органа, м;

V - окружная скорость ножа, м/с; р - плотность почвы, кг/м .

Величина V рассчитывается так:

V" = ^сТ - , (3128)

где - наружный диаметр (по концам ножей), м. Мощность N7^ определяется по выражению:

N = (1 -Пп), (з.129)

где Г/п - общий к.п.д. передач. Мощность Nпод равна:

Nпод = ^ , (3.130)

7 ОКР

где 7окр - окружная скорость рабочего органа, м/с.

При X = 0,2 м, 2 = 3, Я =4, Kg = 0,15 МПа, \к = 0,01 м, ЪОБ =0,01 м, пБ = 250 об/мин, УОЛР = 5,2 м/с, V = 1,8 м/с, Уя = 3,24 м/с, К = 1,0, р = 1,5 т/м3, Б^ = 1,2 м, тБ = 250 кг, общая потребная мощность рабочего органа составляет 14 кВт.

3.3 Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа

3.3.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы комбинированного

почвообрабатывающего шлейфа

При вспашке происходит рыхление и крошение почвы, одновременно увеличивается пористость почвенного слоя. В результате в почву попадают воздух и тепло, и капиллярность нарушается.

Сжатые сроки севооборота предопределяют недостаток времени для того, чтобы почва постепенно осела и она естественно приобрела физическую спелость. Также требуется исключение высыхания свежевспаханной почвы и быстрое восстановление капиллярности иод семенным ложем.

С целью предотвращения негативного воздействия почвообработки и снижения затрат на проведение соответствующих технологических операций необходимо внедрение ресурсосберегающих технологий, которые основаны на одновременном выполнении (совмещении) нескольких агроприемов.

Известно, что наилучшее расположение семян сельхозкультур при севе -граница между плотным и рыхлым слоями. Толщина последнего слоя - глубина заделки семян. Формирование оптимального семенного ложа обеспечивается при предпосевной обработке почвы. Следовательно, формирование посевного слоя с соблюдением агротехнических требований обеспечивается его рыхлением, крошением, выравниванием и подуплотнением. Зачастую такой посевной слой формируется несколькими технологическими операциями: культивацией и боронованием в 2.3 следа, выравниванием и прикатыванием за 3.4 прохода. А это связано с повышенными затратами горюче-смазочных материалов, трудовых и материальных ресурсов. Кроме того, происходит иссушение и переуплотнение различных почвенных горизонтов.

Таким образом, актуальной является проблема разработки такой комбинированной почвообрабатывающей техники, которая была бы способна

сформировать семенное ложе за один проход, отвечающее агротехническим требованиям.

Для решения указанной проблемы разработан комбинированный почвообрабатывающий шлейф (рисунок 3.40) [17, 27].

Рисунок 3.40 - Конструктивно-технологическая схема комбинированного почвообрабатывающего шлейфа: 1 - брус; 2 - скребок; 3 - прикатывающий каток;

4 - вал; 5 - подшипник; 6 - кронштейн; 7 - проушина; 8 - зубовая борона; 9 -сегментный нож; 10 -рама; 11 - цепь; 12 - перемычка; 13, 18 - стойки; 14,19,20 -раскос; 15 - поверхность поля; 16 - пружина; 17 - устройство навески; 21 - зажим

Вначале работы необходимо опустить комбинированный почвообрабатывающий шлейф на обрабатываемую поверхность, освободить зажимы 21 и привести зубовые бороны 8 в рабочее положение.

Затем следует установить угол наклона комбинированного почвообрабатывающего шлейфа в вертикальной плоскости регулировкой центральной тяги системы навески трактора.

Обработку почвы осуществляют поперек пли по диагонали к вспаханному полю. В процессе работы скребок 2, который расположен впереди, разбивает почвенные глыбы и почвенные комки заполняют секции, образованные поперечными скребками 2. Здесь комки почвы соударяются и истираются, то есть происходит их измельчение.

При движении происходит равномерное распределение измельченных почвенных комков по поверхности почвы 15, заполняются борозды и выравнивается поверхность поля. Почва, которая вышла из секций, проходя через зазор между задним скребком 2 и прикатывающим катком 3, подвергается дополнительному измельчению.

Некоторая часть массы комбинированного почвообрабатывающего шлейфа воспринимается прикатывающим катком 3, способствующим тому, что создается нажим, необходимый и для дополнительного разбивания комков почвы, и для выравнивания поверхности поля.

Встречающиеся препятствия прикатывающий каток 3 преодолевает путем поднятия, обеспечиваемого сжатием пружин 16.

Зубовые бороны предназначены для придания обрабатываемой поверхности конечного вида путем дальнейшего разбивания и разбрасывания почвенных комков, выравнивания поверхности поля, уничтожения и удаления сорняков сегментными ножами 9.

Таким образом, использование комбинированного почвообрабатывающего шлейфа позволит сформировать существенные влагозапасы в почве, развитую сеть капиллярных каналов для эффективной связи пахотного и подпахотного горизонтов. Выравниванием поверхности почвы комбинированный почвообрабатывающий шлейф устраняет неровности, тем самым создавая условия для последующего посева сельхозкультур. Выравненная поверхность поля и мелкокомковатая структура почвы, обеспечиваемые при использовании комбинированного почвообрабатывающего шлейфа, оказывают положительное влияние и на ее тепловой режим.

Целью теоретического исследования комбинированного

почвообрабатывающего шлейфа является обоснование его основных конструктивно-технологических параметров.

Задачами теоретических исследований комбинированного почвообрабатывающего шлейфа являются:

- разработка математических моделей, алгоритмов и программ расчёта конструктивно-технологических параметров комбинированного почвообрабатывающего шлейфа;

- обоснование рациональных значений основных конструктивно-технологических параметров комбинированного почвообрабатывающего шлейфа.

3.3.2 Математическое моделирование процесса работы комбинированного

почвообрабатывающего шлейфа

Процесс разработки комбинированного почвообрабатывающего шлейфа предполагает определение его оптимальной ширины захвата для энергетических средств определенного тягового класса, позволяющей качественно осуществлять выполнение технологического процесса по предпосевной подготовке почвы. Наиболее тяжёлыми условиями эксплуатации считается процесс разгона МТА в момент трогания при заглубленном рабочем органе [17, 173, 229, 253, 306].

Оптимальную ширину захвата агрегатов обычно рассчитывают при установившемся режиме работы. С учетом того, что предлагаемый КПШ состоит из нескольких рабочих органов, которые связаны между собой, то есть имеет место значительная инерционность системы, для того, чтобы точнее определить оптимальную ширину захвата, необходимо рассмотреть движение исследуемой системы в динамике.

Поступательное движение комбинированного почвообрабатывающего шлейфа в горизонтальной плоскости происходит под действием (рисунок 3.41) [17, 27, 183] таких сил, как: сила тяжести О^, тяговое усилие энергосредства Рт,

сопротивление почвы при перемещении скребков Рск, сопротивление почвы при

перемещении прикатывающего катка Pпк , сопротивление почвы при перемещении зубовых борон Рж.

Рисунок 3.41 - Схема сил, действующих на рабочие органы комбинированного

почвообрабатывающего шлейфа

Дифференциальное уравнение движения КПШ с использованием уравнения Лагранжа второго рода [17, 27, 183] будет иметь вид:

а

)

= Qx, (3.131)

где T - кинетическая энергия системы, Дж; к - обобщённая координата, м; - обобщённая сила, Н.

Кинетическая энергия определится с использованием теоремы Кенига следующим образом:

шаУА I ¿со2

Т _ А а + а

(3.132)

2 2

где ша - масса комбинированного почвообрабатывающего шлейфа, кг;

Уа - скорость передвижения комбинированного почвообрабатывающего шлейфа, м/с;

1а - момент инерции рабочих органов комбинированного почвообрабатывающего шлейфа, совершающих вращательное движение кг-м2;

со - угловая скорость, с" .

В общем виде кинетическая энергия комбинированного почвообрабатывающего шлейфа складывается из кинетической энергии

прикатывающего катка Тпк и кинетической энергии остальных рабочих органов

ТПА , совершающих поступательное движение:

(3.133)

т = т + т

1а пк па

Составляющие кинетической энергии КПШ находятся по выражениям:

Тпк = 0,5

I,

л

т +-ж-

тпк ^ 2

гпк 2

X

т^1 па —

(3.134)

(3.135)

где шпк и шоч - массы, соответственно, прикатывающего катка и остальных рабочих органов, кг;

I пк - момент инерции прикатывающего катка, кг-м2; тпк - радиус прикатывающего катка, м. С учетом (3.134) и (3.135), зависимость (3.133) перепишем в виде:

Т = 0,5

I,

тпк + точ +

гпк У

X

(3.136)

Приняв

к1 = тпк + Шо^ +

ПК

1ПК

выражение (3.136) перепишем в виде:

Т, = 0,5Цх

Результаты дифференцирования следующие:

дТ

а

дх

= 0

дТ

дх

(3.137)

(3.138)

(3.139)

(3.140)

2

а

{ ат1 Л

а

ат

дх

(3-141)

= к, х

V ил. у

Работа сил, которые действуют на комбинированный почвообрабатывающий шлейф, при элементарном перемещении , определится

так:

= Р^х = Рт£х- Рск£х- Рпк Бт^х- РЗБ3х

(3.142)

где Рт - тяговое усилие энергосредства, Н; Рск - сопротивление скребков, Н; Рпк - сопротивление прикатывающего катка, Н; РЗБ - сопротивление зубовых борон, Н.

Условие наличия скольжения частиц почвы по поверхности скребков таково (рисунок 3.42) [17, 27, 137, 185]:

N. >~Ртр , (3.143)

1СК шах '

где N - составляющая нормальной силы Кск , направленной касательно к поверхности скребка, Н;

Рисунок 3.42 - Схема к исследованию процесса движения скребка в почве

рТРтах - сила трения в системе «почва-скребок», Н.

Имея в виду, что N = Кск1^/?ск - составляющая нормальной силы Нск , направленной касательно к поверхности скребка, а Fтpк = - сила трения

в системе «почва-скребок», условие скольжения таково:

Ч. , = ^ск1ё/Зск >■ ^скЩ(рпс или Д .Л- >- (Рпс, (ЗЛ44)

где - нормальная сила от давления скребка на частицу почвы, Н;

Рск - угол между нормалью к поверхности скребка и направлением его движения, град;

(рпс - угол трения в системе «почва-скребок», град.

Так как /Зск = 900 — аск, то по условию скольжения

аск^90"-<рпс, (3.145)

где осск - угол установки поверхности скребка относительно направления движения, град.

Условие скольжения примет вид [185]:

я , ч (3.146)

аск -<--шах

{фро ,Фпс ) ,

2

Угол трения в системе «растительность-скребок» срРО можно выбрать, если

известен угол трения в системе «почва-скребок» (рпс, так как первый зачастую меньше второго.

Значение нормального давления <ун (Па) зависит от величины деформации почвы А (м) и коэффициента объемного смятия П ( н/м3):

«Н = **,. (3.147)

При перемещении скребка величина деформации почвы элементарной площадкой поверхности скребка определяется ее расположением. Максимальная

величина деформации почвы ymax при приближении к т. В (рисунок 3.41) уменьшается до нуля, т. е.:

у = --у . = 0

д-max /Ьтт ?

sin аск

где \>Б - глубина хода скребка, м.

Таким образом, эпюра нормальных давлений представляет собой

ЪОБ

прямоугольную пирамиду, имеющую высоту crN^ = —-у0.

sin

Значение суммарной нормальный силы давления почвы на скребок рассчитывается согласно выражения [17]:

Го (3.148)

NcK" = ScrCTmax = ^сК^СК&ткх. = ~ ^СК^СК^ОБ , Н,

sin аск

I h

где CK и Vk - длина и высота скребка, м.

Сила (Н) может быть рассчитана согласно выражения:

!W = —=-—-СскКККБ. (ЗЛ49)

cos (рпс cos (рпс sm аск

Значение сопротивления Pc^ (Н) будет:

_ _ / ч _ ~(Рпс) , (3.150)

Рск = Дж* = ^ся" cos\Рск ~ Фпс ) = : Уо^ск\:к\)б .

cos <рпс ■ sm аск

Сопротивление прикатывающего катка (Н) может быть рассчитано согласно выражения:

P = Р

1 пк 1 кк

3¥ ^ (3.151)

1

4 f v ^1 у

где Р^к - сопротивление перекатыванию прикатывающего катка, Н; у - коэффициент скольжения;

Р - коэффициент сопротивления перекатыванию прикатывающего катка.