22 июня, четверг
Ростов-на-Дону
Погода от 18 до 20
Рубрики
Электронный кабинет ФЕРМЕРА








Перспективы применения подпокровных фрезерователей для основной обработки малопродуктивных почв
В статье обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований авторов по обоснованию перспективного направления в разработке почвообрабатывающих машин для основной обработки малопродуктивных почв (солонцовых, эродированных). Статья представляет интерес для специалистов, занимающихся внедрением новой мелиоративной почвообрабатывающей техники. Ключевые слова: комбинированный подпокровный фрезерователь (КПФ), почво-грунт, нож фрезы, лезвие ножа, монофреза, фрезерный барабан, сила резания.

 

Особенность агротехнических требований к основной обработке малопродуктивных почв, заключающаяся в необходимости максимального сохранения верхнего гумусового горизонта, активного крашения и интенсивного перемешивания нижележащих генетических горизонтов, требует применения специальных почвообрабатывающих машин. Наиболее перспективны в этом плане комбинированные подпокровные фрезерователи (КПФ), активные рабочие органы которых работают в условиях полного заглубления. Возможность сочетания в единой конструкции машины пассивных рабочих органов (РО) с фрезерными позволяет научно обоснованно подойти к разработке и практической реализации различных технологических и конструктивных схем КПФ [1,4].

Все известные ПФ можно разделить на две основные группы:

- фрезерователи, осуществляющие чисто фрезерную обработку почвы (без предварительного рыхления);

- фрезерователи комбинированного типа [3].

Не останавливаясь детально на анализе различных типов конструкций ПФ, отметим следующее. Наиболее перспективны в сравнении с чисто фрезерными машинами с точки зрения надежности конструкции, снижения энергоемкости, улучшение качества перемешивания генетических горизонтов является фрезерователи комбинированного типа. В их конструкциях за счет предварительного рыхления плотных солонцового и карбонатного горизонтов существенно улучшаются условия работы фрез, практически исключается их износ, уменьшается энергоемкость процесса; значительно возрастает рабочая скорость почвообрабатывающей машины.

Подпокровные фрезерователи в условиях чистого фрезерования почв обеспечивают рабочую скорость агрегата до 4..5 к м/ч. При этом подача на нож фрезы составляет не более 3 см.

Применение комбинированных ПФ обеспечивает в агрегате, например тракторами К-701, рабочие скорости до 9 км/ч. При этом подача на нож фрезы достигает 7 см. Предварительное рыхление нижележащих горизонтов осуществляется подрезающим лемехом. В результате существенно снижается удельная энергоемкость процесса. Например, комбинированный фрезерователь ПТН-2-50 Ф обеспечивает в сравнении с роторной машиной РМ-1,2 (Волгоградский СХИ) снижение удельных энергозатрат более чем в 3 раза.

Существенное значение для ПФ имеет конструкция фрезерного РО. Известны различные типы РО, отличающиеся друг от друга расположением продольной оси в пространстве, направлением его вращения, видом фрез, входящих в набор, формой бокового профиля лезвия ножей и другими конструктивными признаками. Обобщая опыт проектирования ПФ, можно отметить, что наибольшее распространение находят фрезерователи, у которых фрезерный РО имеет горизонтальную ось вращения, расположенную перпендикулярно направлению движения агрегата. В меньшей степени разрабатываются ПФ с вертикальной либо наклонно расположеной, или горизонтальной продольной осью вращения. По конструктивных признакам рабочие органы ПФ разделяются на монофрезы и наборные фрезы. Монофрезы представляют единую монолитную конструкцию и по форме бокового профиля разделяются на цилиндрические, конические, ступенчатые, и криволинейные. Наибольшее применение находят цилиндрические монофрезы, в меньшей степени - конические [6].

Наборные фрезы представляют собой РО, состоящие из отдельных фрез, смонтированных посредством приводного вала в единую конструкцию. Известны различные типы наборных фрез, отличающиеся в основном конструкцией, формой входящих в «набор» отдельных фрез.

В известных конструкциях ПФ широко использовались дисковые многозубовые фрезы, отличающиеся формой бокового профиля и толщиной зубьев, количеством их и способом крепления. Такие фрезы обеспечивают снижение энергоемкости фрезерования, выполняемого без предварительного рыхления твердых горизонтов. Однако плоские дисковые фрезы независимо от расстояния между ними не могут интенсифицировать процесс перемешивания частиц разнородных генетических горизонтов. Последнее подтверждается и результатами испытаний различных ПФ на государственных машиноиспытательных станциях (МИС). Так, по данным Целинной МИС, показатель качества перемешивания комбинированным подпокровным фрезерователем МСП-2 (серийная машина) с плоскими дисковыми фрезами составляет 51,8% [3,6].

В конструкциях комбинированных ПФ создаются предпосылки для использования более сложных конструкций наборных фрез, например, выполненных в виде плоских многозубовых дисков с дополнительными элементами (Г-образными ,отвальными и т.д) .В конструкциях комбинированных фрезерователей типа ПТН-2-50 Ф был реализован вариант сложных комбинированных фрез (дисковых с право - левооборачивающими отвальными элементами ).При этом отвальные элементы устанавливаются на ножах дисковой фрезы поочередно для компенсации осевых усилий. Они увеличивают относительный путь движения почвенных частиц, в результате чего обеспечивается вовлечение этих частиц в более удаленные разнородные горизонты и более равномерное перемешивание отдельных слоев почвы по большей глубине обработки. Исследования, выполненные с применением рентгеносъемок, показали, что использование комбинированных сложных фрез, в частности с отвальными элементами, позволяет существенно улучшить показатели качества перемешивания генетических горизонтов (до 80%) в сравнении с обычными плоскими фрезами.

Перспективно применение монофрез без центрального приводного вала, так называемых «безвальных» фрезерных РО. Они имеют продольные (по отношению к оси фрезователя) режущие элементы, жестко соединенные с дисковыми фрезами, которые полностью воспринимают механические нагрузки. По конструкции различают «безвальные» РО коленчатого типа и барабанные с П-образными ножами, отвальными и стрельчатыми режущими элементами. «Безвальные» рабочие органы в меньшей степени забиваются растительными остатками и почвой чем традиционные.

Исследования с помощью методов вариационного исчисления показывают, что минимальная энергоемкость фрезерования предварительно разрыхленных почв достигается при выполнении лезвий продольных режущих элементов «безвальных» РО прямолинейной формы. Экстремалями (формой кривой лезвия) являются прямые линии вида [2,5]:

Y=c1 Χ+c2;

где c 1 и c 2 - постоянные коэффициенты. Проверка функционала (силы сопротивления Р внедрению режущего элемента фреза в почву) на условие Лежандра показывает что сопротивление будет минимальным при всех значениях коэффициента трения f п в диапазоне от 0 до 1.

Анализ параметров кинематического режима работы КПФ позволил установить аналитические зависимости для определения текущих и экстремальных значений заднего угла установки ножей фрезерного РО. Получены аналитические зависимости для определения частоты ω вращения рабочего органа в зависимости от скорости агрегата , радиуса фреза Rф, угла установки ножа фрезы и минимального предельного значения заднего угла θmin, достигаемого на любом участке траектории лезвия ножа, при котором предотвращается смятие почвы тыльной фаской ножа. При определении значения ω следует задаваться величиной поступательной скорости агрегата. Например, приняв значение = 1,5 м /с, θmin = 3? и = 71? для фрезерного рабочего органа диаметром Дфр=0,2 м, получим: ω= 54,4 с-1 [2,5].

Возможно решение и обратной задачи. Например, приняв п = 540 об/мин, получим = 5,6 км/ч.

Применительно к фрезерному РО КПФ на основании анализа процесса фрезерования почвы и моделирования ее как сплошной среды получены с использованием теорем динамики аналитические зависимости для определения суммарной мощности на привод подпокровного фрезерователя и отдельных ее составляющих.

Например, для КПФ мощность на привод фрезерного рабочего органа с учётом следующих исходных параметров: ω=56с-1; Дфр=0,2 м; V0 =1,5 м/с; f n =0,4; ширина захвата орудия в = 2 м; плотность почвы γ = 1200 кг/м 3, составляет 38 кВт.

Накоплен значительный опыт в использовании ПФ для основной противоэрозионной обработки почвы под зерновые культуры. Многолетними исследованиями установлено, что за счет хорошего сохранения на поверхности поля пожнивных остатков, лучшего задержания талых, ливневых и ирригационных вод, дифференцировании плодородного гумусового слоя по глубине корнеобитания и биологической активности почвы урожайность зерновых в среднем увеличивается на 2,1 п/га в сравнении с плужной обработкой и на 0,9 ц/га - с плоскорезной.

Подпокровные фрезерователи можно эффективно использовать для внесения в почву и равномерного заделывания минеральных удобрений. Пылеватые минеральные удобрения могут из бункера с помощью вентилятора нагнетаться под рабочие поверхности плоскореза и затем фрезами равномерно распределяться в обрабатываемом слое. Установлено, что с увеличением скорости агрегата распределение удобрений по глубине качественно улучшается. В корнеобитаемом слое (10...25 см) распределение их становится более равномерным.

Характерной особенностью подпокровных фрезерователей является то, что за счет вибрационного воздействия фрезерного РО на верхний покровный слой обеспечивается интенсификация процесса сепарации (заделки) пылеватых почвенных частиц, расположенных на поверхности поля. Как показывают исследования, интенсивность заделки пылеватых частиц с увеличением скорости возрастает. Так, если при скорости 4,2 км/час на поверхности поля остается 25...45% имитирующих частиц, то при V=5,6км/ч - 6,5...10%. При этом основная часть их распределяется в слое 2...6 см. Эксперименты с применением пылевых частиц солей бария и рентгенографического метода их фиксации в почве позволили установить, что фрезерные РО безвального типа обеспечивают более равномерное распределение пылеватых частиц по глубине в сравнении с традиционными наборными фрезами. При этом в поверхностном слое 0...2 см содержится наименьшее количество пылеватой фракции.

Наиболее важным агротехническим показателем технологического процесса подпокровного фрезерования является допуск на колебание глубины хода фрезерователя. Установлено, что распределение глубины подпокровного фрезерования по длине хода близко к нормальному закону, особенно при меньших поступательных скоростях.

При нормальном законе распределения наибольшие высоты неровностей дна рыхления ?h составляют 6 . В результате при скорости 1,16 м/с ?h=7,85 см. С увеличением скорости величина ?h возрастает до 12,5 см. При этом соответственно возрастают и все статистические характеристики процесса (дисперсия, стандарт, коэффициент вариации).

Анализ технологического процесса подпокровного фрезерования с использованием нормированных автокорреляционных функций и спектральных плотностей показал, что интервал корреляции глубины хода КПФ составляет при скорости 4,2 км/ч - 10м (8,6с); а при v=5,6 км/ч - 5м (3,3с). Автокорреляционная функция с увеличением рабочей скорости агрегата затухает быстрее, т.е. процесс протекает более беспорядочно, динамично, что обуславливает улучшение агротехнических показателей по крошению и перемешиванию генетических горизонтов, заделке пылеватых частиц. Спектр частот колебаний глубины подпокровного фрезерования является низкочастотным и узкополосным. Ширина спектра не превышает 0,2 Гц (2м-1). Основная мощность в распределении дисперсии глубин фрезерования приходится на частоту 0...1 м-1. С увеличением скорости ширина спектра частот несколько увеличивается, уменьшается длина неровностей дна, т.е. процесс становится более динамичным. Вместе с тем статические характеристики процесса обработки почвы КПФ даже на повышенных скоростях (более 6 км/ч) находятся в допустимых агротребованиями пределах.

Исследования показывают, что ПФ в сочетании с рыхлителями или плоскорежущими рабочими органами обеспечивают более устойчивое (по статистическим силовым и кинематическим характеристикам) выполнение технологического процесса. Устойчивость движения агрегата по глубине существенно зависит от направления вращения фрезерователя. Установлено, что ПФ более устойчив при фрезеровании почвы по схеме "снизу вверх". В этом случае вертикальная составляющая реакции почвы направлена вниз, что обеспечивает хорошее заглубление рабочих органов в начальный момент движения и более устойчивый ход их по глубине.

Исследования и опыт проектирования КПФ позволяет рекомендовать следующие основные технологические, конструктивные и кинематические параметры:

- тип фрезерователя - комбинированный, рыхлящая часть которого представляет пассивный рабочий орган (чизели, лапы плоскореза, плужный корпус);

- тип фрезерного рабочего органа - монофрезы «безвального» типа или наборные фрезы в виде плоских 4-зубовых дисков с отвальными право- и левооборачивающими элементами;

- направление вращения - «снизу вверх»;

- кинематический режим фрезерования: частота вращения - 48...56 с-1, подача -50...70 мм;

- кинематический параметр - 3... 5;

- поступательная скорость - 1,5...2,2 м/с;

конструктивные параметры;

диаметр фрез - 250... 300 мм (для солонцов) и 160...200 мм (для эродированных почв);

- число зубьев дисковой фрезы (число отвальных элементов)- 4;

- угол установки отвальной (цилиндрической) поверхности к плоскости диска - 25...35;

- расстояние между фрезами вдоль оси фрезерователя - (0,5...0,6) Дфр;

- расстояние от оси фрезерователя до носка лемеха рыхлительного корпуса - 0,8...0,9 м; до дна борозды - 150...200 мм.

 Оценка эффективности применения КПФ для основной обработки солонцовых почв показала следующее. Применение КПФ значительно активизирует микробиологические процессы в почве. Наблюдается повышенное выделение углекислоты, которая обеспечивает перевод карбонатов Са почвы в растворимую форму, т.е. способствует вытеснению из ППК обменного Na, обусловливающего неблагоприятные физические свойства солонцов. Обработки КПФ улучшают структуру обрабатываемого слоя, уменьшают плотность почвы, увеличивают ее аэрацию, способствуют лучшему сохранению гумуса (до 96%) в верхнем плодородном слое в сравнении с 3-ярусной вспашкой (до 55%). При обработке солонцов КПФ отмечается большая густота стояния растений, большая общая и продуктивная кустистость.

Урожайность основных сельскохозяйственных культур возрастает устойчиво на 10-15%.

Комплексная оценка различных мелиоративных орудий для основной обработки малопродуктивных почв позволяет считать КПФ одним из перспективных направлений в создании новых высокоэффективных машин.

Список литературы:

1.     Максимов В.П. Методологические основы концептуального конструирования почвообрабатывающих орудий / В.П. Максимов // Известия вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. Приложение к № 4, 2006. - С. 43-47.

2.     Шаршак В.К., Башняк С.Е., Башняк И.М. Обоснование геометрических и кинематических параметров безвального фрезерного барабана [Текст] / Вестник Донского государственного аграрного университета. 2014. №3 (13). С. 103-112.

3.     Шаршак В.К., Башняк С.Е., Башняк И.М. Типы подпокровных фрезерователей и их анализ [Текст] /Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и тенденции инновационного развития агропромышленного комплекса и аграрного образования России».// Пос. Персиановский: ДонГАУ, - 2012. - С. 131-135.

4.     Шаршак В.К., Башняк С.Е., Башняк И.М. Особенности технологии мелиоративной подпокровной обработки малородуктивных почв [Текст]/ Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и тенденции инновационного развития агропромышленного комплекса и аграрного образования России».// Пос. Персиановский: ДонГАУ, - 2012. - С. 127-131.

5.     Шаршак В.К., Башняк С.Е., Башняк И.М. Выбор кинематических параметров фрезбарабана [Текст]/ Материалы международной научно-практической конференции «Современные технологии сельскохозяйственного производства и приоритетные направления развития аграрной науки».// Пос. Персиановский: ДонГАУ, - 2014. - С. 65-70.

6.     Шаршак В.К., Башняк С.Е., Башняк И.М. К вопросу совершенствования конструкций комбинированных подпокровных фрезерователей (КПФ) [Текст]/ Материалы международной научно-практической конференции «Инновационные пути развития АПК:проблемы и перспективы»//В 4-х томах. Пос. Персиановский: ДонГАУ, - 2013. - С. 93-98.

PROSPECTS OF APPLICATION OF SOIL CULTIVATING PRESERVATIVE FOR THE BASIC TREATMENT OF MARGINAL SOILS

V.K. Sharshak1, S.E. Bashnyak1, I.M. Bashnyak2

1Don State Agrarian University

2 Novocherkassk engineering and land reclamation Institute A.K. Kortunov

FGBOU VPO «Don State Agrarian University», Novocherkassk

In the article the results of theoretical and experimental studies of the authors on the substantiation of promising trend in the development of the soil-treating machines for the basic the processing of unproductive soils are generalized (alkaline soil, eroded).

Article is of interest for the specialists, who carry out the introduction of the new land-reclamation soil-treating technology.

Keywords: combined podpokrovnyy frezerovatel (KPF), ground, cutter, the blade of knife, mono-cutter, milling drum, the cutting force.

 Обязательна ссылка на источник:

Инновации в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур : материалы международной научно-практической конференции, 4 февраля 2015г. - пос. Персиановский : Донской ГАУ, 2015 г . - С. 400 - 407.

 

Рубрики: техника
Дата публикации 14 октября 2015 г. 20:00, Автор С.Е. Башняк, В.К. Шаршак, Донской Государственный аграрный университет, И.М. Башняк, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова ФГБОУ ВПО ДГАУ
Комментарии Комментарии:
Оставить отзыв: