Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Мударисов Салават Гумерович. Повышение качества обработки почвы путем совершенствования рабочих органов машин на основе моделирования технологического процесса : диссертация... д-ра техн. наук : 05.20.01 Челябинск, 2007 351 с. РГБ ОД, 71:07-5/457

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ 13

  1. Физико-технологические свойства почв 13

  2. Классификация почвообрабатывающих машин и их сравнительный анализ 16

  3. Методы повышения эффективности обработки почвы 24

  4. Проблемы управления качеством обработки почвы 33

1.5 Постановка проблемы, цель и задачи исследований 44

2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ НА ПОЧВУ 48

  1. Почва как объект воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин 48

  2. Общая схема модели механики деформации и разрушения

почвенной средыи критерии ее оценки 58

  1. Основные принципы построения модели почвенной среды 58

  2. Структурная схема модели деформации и разрушения почвенной среды 62

  3. Критерии оценки функционирования модели 68

2.3 Общие аспекты механики почвенной среды 70

  1. Напряженно-деформированное состояние почвы 70

  2. Перемещения и деформации почвенных элементов 79

Выводы по главе 87

3 МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

РАБОЧИХ ОРГАНОВ С ПОЧВОЙ 88

3.1 Физический процесс деформации и разрушения почвы 88

3.2 Реологическая модель почвенной среды 96

3.2.1 Определение начальных и граничных условий реологической
модели 97

  1. Многофазность почвенной среды 98

  2. Изменение плотности почвенной среды 100

  1. Реализация реологического уравнения почвенной среды 105

  2. Обоснование применения методов подобия и размерностей

при моделировании процесса обработки почвы 108

3.5 Физическая интерпретация критериев подобия применительно

к почвообработке 117

Выводы по главе 119

4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ В ПРОЦЕССЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИ 121

  1. Деформация и крошение почвы в сельскохозяйственной практике ... 121

  2. Оценка изменения плотности почвы при воздействии нагрузки 124

  3. Распределение напряжений в почве при воздействии рабочих органов 133

  4. Распределение напряжений на поверхности рабочих органов 138

  5. Оценка изменения плотности почвы по расчетному распределению

напряжений 142

Выводы по главе 165

5 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
КАЧЕСТВА РАБОТЫ 167

5.1 Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих

машин для основной обработки почвы 167

  1. Обоснование параметров рабочих органов лемешных плугов ..168

  2. Обоснование параметров рабочих органов дисковых плугов... 190

  3. Исследование агротехнических показателей работы

дискового плуга 194

5.2 Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин
для поверхностной обработки 200

5.2.1 Обоснование параметров рабочих органов

дискового культиватора 200

5.2.2 Обеспечение заданного уровня показателей качества

обработки почвы 214

5.3 Обоснование параметров стрельчатых рабочих органов 222

Выводы по главе 229

6 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 233

6.1 Разработанные машины, их характеристики, внедрение

и эффективность 233

  1. Рекомендуемая методика разработки и создания новых почвообрабатывающих машин 244

  2. Экономическая эффективность использования разработанных

машин 247

Выводы и рекомендации 257

Список литературы 260

Приложения 285

Введение к работе:

Получение высоких и стабильных урожаев выращиваемых культур является первостепенной задачей сельскохозяйственного производства. Общая мировая тенденция производства продуктов питания показывает, что прирост продовольственных ресурсов происходит за счет интенсификации земледелия и повышения плодородия почв.

Одним из способов повышения урожайности сельскохозяйственных культур является внедрение новых, научно обоснованных технологий обработки почвы с использованием высокопроизводительной универсальной почвообрабатывающей техники с рабочими органами, обеспечивающими заданные показатели качества выполнения технологического процесса. При этом основной целью агротехнических мероприятий является создание условий для сохранения и повышения продуктивности почвы как важнейшего компонента экосистемы «почва - растение - воздух». Этой же цели служит механическая обработка почвы как основное средство изменения ее свойств и достижения с точки зрения агротехники качества выполнения технологических операций, при которых получается максимальный эффект - урожайность.

Качество выполнения технологического процесса обработки зависит от типа и физико-механических свойств почвы, рельефа поля, типа и параметров рабочих органов. Свойства почвы изменяются в зависимости от погодных условий, смены культур севооборота, внесения в почву минеральных и органических удобрений и т.д. Эти изменения также влияют на показатели качества выполнения технологического процесса обработки почвы.

Следствием изменения свойств почвы на различных участках поля и во времени является широкое варьирование показателей качества выполнения технологических операций почвообработки. Исследованиями Подскребко М.Д. [193] установлено, что при основной обработке почвы плугами общего назначения в период ее физической спелости в среднем 20% обработанной площади поля удовлетворяют требованиям агротехники по степени крошения.

Для достижения показателей качества, удовлетворяющих агротехническим требованиям по всему полю, конструктивные параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин должны обеспечивать возможность изменения степени воздействия на почву и управления процессом работы.

В комплексе работ, направленных на решение задач повышения качества обработки почвы, большое значение имеют теоретические исследования технологических процессов обработки почвы рабочими органами. Именно от степени соответствия рабочих органов их назначению зависят качество работы машин, их производительность и энергоемкость процесса. Благодаря созданию теоретической модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой обеспечивается возможность разработки направлений совершенствования и обоснования конструктивных параметров рабочих органов и устройств для достижения требуемых показателей качества выполнения технологического процесса в зависимости от исходного состояния почвы.

Важным условием развития теории почвообработки являются фундаментальные исследования процессов взаимодействия рабочих органов и орудий с почвой. Следует признать приоритетным направлением изыскание и определение закономерностей деформации, разрушения и перемещения почвы. В результате исследований последних лет стало очевидным, что физическое понимание и математическое описание деформации и разрушения почвы открывают перспективы создания математических, технологических и других моделей теории почвообработки. Первостепенное значение при этом имеет описание процесса воздействия рабочих органов на почву, а также разрушения, перемещения и перемешивания структур почвенной среды.

Реальная почва представляет собой дисперсную среду, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. В зависимости от их соотношений почва может иметь свойства вязких, пластичных, упругих и хрупких тел. От свойств почвы и способа воздействия рабочего органа зависит вид напряженно-деформированного состояния. Отсюда вытекает задача создания такого на-

пряженно-деформированного состояния почвы, при котором реализовывалось бы качественное выполнение технологических операций обработки почвы с минимальными затратами. Комплекс таких задач может быть решен при совместном использовании достижений в смежных областях науки: физики почв, механики разрушения тел, гидромеханики и т.д. При этом появляется возможность определять общность и различие подходов к проблеме разработки основных принципов построения модели разрушения почвы, ее физико-механических и математических основ. В связи с этим повышение качества обработки почвы путем совершенствования рабочих органов машин на основе моделирования технологического процесса является актуальной проблемой, составляющей основу данного исследования.

Цель работы: Обеспечить заданный уровень показателей качества выполнения технологического процесса обработки почвы путем совершенствования и обоснования параметров рабочих органов машин на основе моделирования процесса их взаимодействия с почвой с учетом изменяющихся ее свойств.

Объектом исследования служит технологический процесс взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой.

Предмет исследования состоит в выявлении закономерностей влияния конструктивных и технологических параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин на показатели качества выполнения технологического процесса обработки почвы.

Научная новизна исследований состоит в том, что разработана общая схема модели процесса воздействия рабочих органов на почву с учетом ее многофазной структуры и изменения свойств в процессе деформации; обоснованы критерии оценки и получены аналитические зависимости для определения конструктивных параметров рабочих органов, которые позволяют обеспечить заданные показатели качества выполнения технологического процесса обработки почвы; разработана модель процесса воздействия рабочих органов

на почву в виде системы уравнений состояния и изменения плотности почвенного пласта в процессе обработки; разработана адаптированная к задачам почвообработки реализация конечно-разностного метода, позволяющая моделировать и визуализировать процесс деформации и перемещения почвы, а также исследовать явления, происходящие внутри массива; установлены характеры изменения и распределения напряжений в почве, в процессе воздействия на нее различными типами рабочих органов и движения почвы по рабочей поверхности; установлены зависимости изменения плотности почвы от уровня ее напряженного состояния, характеризующие процесс уплотнения и рыхления почвы рабочими органами в процессе обработки; впервые разработаны рабочие органы к орудиям для основной и поверхностной обработки, позволяющие получить требуемые показатели качества выполнения технологического процесса в зависимости от состояния почвы; разработаны методы расчета рациональных параметров рабочих органов для получения заданных показателей качества выполнения технологического процесса обработки почвы в зависимости от ее исходного состояния.

Новизна технических решений защищена одним патентом на изобретение и тремя патентами на полезную модель.

Практическая ценность работы и исследований состоит в разработке методики расчета на ЭВМ энергетических и агротехнических показателей процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, которая выступает как составная часть САПР почвообрабатывающих машин и позволяет на стадии проектирования обосновать параметры рабочих органов для обеспечения заданных показателей качества выполнения технологического процесса обработки почвы в зависимости от ее состояния. Такие рабочие органы способствуют повышению агротехнических и энергетических показателей работы по сравнению с серийными орудиями, качества обработки почвы и увеличению урожайности возделываемых культур.

Реализация научно-технических результатов. На основе исследова-

ний составлены исходные требования и технические задания на разработку и создание рабочих органов стерневой сеялки СС-6 в ЗАО «Стерлитамакская машиностроительная компания», сеялки-культиватора СКС-6Л и оборотного плуга ПО-4В в ОАО «Туймазинский завод автобетоновозов», лемешно-роторного плуга ПЛР-2 в ОАО «Башсельмаш».

Результаты исследований по обоснованию параметров рабочих органов использованы при освоении производства сеялок СС-6 (ЗАО «Стерлитамакская машиностроительная компания»), плугов ПН-4С, ПН-5С (Стерлитамак-ское РТП).

В творческом сотрудничестве с ЗАО ИПП «ТехАртКом» (г. Челябинск) разработаны комбинированные почвообрабатывающе-посевные агрегаты ППА-5,4, ППА-7,2, ППА-14,7 с усовершенствованными рабочими органами, в сотрудничестве с ООО «Варнаагромаш» - рабочие органы дискаторов и плугов ПН-4-3 5.

Методы расчета и проектирования рабочих органов почвообрабатывающих машин переданы в ЗАО ИПП «ТехАртКом», ЗАО «Стерлитамакская машиностроительная компания» и 000 «Варнаагромаш».

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» и ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Башкирского ГАУ (1993-2002 гг.), Челябинского ГАУ (1993-2007 гг.), Башкирского НИИСХ (1995-96 гг.), международной научно-практической конференции, посвященной памяти акад. В.П. Горячкина "(Москва, 1998 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (Уфа 2002 г.), международной научно-практической конференции «Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания» (Уфа 2002 г.)

Публикации. Результаты исследований отражены в 35 научных работах, в том числе 11 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент на изобретение и три патента на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 45,65 п.л., из них авторских -19 п.л.

Первая глава «Современное состояние проблемы и основные задачи исследования» посвящена анализу состояния и перспектив развития обработки почвы, качества выполнения технологических операций рабочими органами почвообрабатывающих машин. Здесь рассмотрены общие методы повышения эффективности почвообработки, раскрыты проблемы обеспечения требуемых показателей качества выполнения технологических операций и пути их решения. На основе этого сформулирована научная проблема, выдвинута гипотеза, определены цель и задачи работы.

Во второй главе «Основные положения общей теории технологического воздействия рабочих органов на почву» рассмотрены физико-механические основы перемещения, деформации и разрушения почвенных элементов, базирующиеся на общих аспектах механики почв. Обоснованы принципы построения модели разрушения почвы.

В третьей главе «Модель процесса взаимодействия рабочих органов с почвой» показана последовательность реализации модели взаимодействия рабочих органов с почвой; полученные результаты согласованы с общими идеями физики процесса деформирования и разрушения почв, сформулированными на основании теоретических и лабораторных исследований; исследованы вопросы деформирования и разрушения почвенных сред применительно к обработке почвы; определены начальные и граничные условия для численного решения уравнений динамики почвы с учетом изменения её плотности в процессе взаимодействия с рабочим органом; обоснованы условия использования методов подобия и размерностей применительно к технологическим процессам обработки почвы и получены необходимые и достаточные критерии подобия.

В четвертой главе «Исследование напряженно-деформированного состояния почвенной среды в процессе взаимодействия с рабочими органами почвообрабатывающих машин» изложены результаты моделирования технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой. На основе теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости изменения плотности почвы в процессе обработки от уровня напряженно-деформированного состояния, а также получена система уравнений динамики почвенной среды с учетом изменения плотности почвы.

В пятой главе «Обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин для повышения качества работы» освещены вопросы разработки и совершенствования рабочих органов почвообрабатывающих машин для повышения качества их работы. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивных схем и параметров рабочих органов для основной (дисковые и лемешные плуги) и поверхностной обработки (культиваторы, окучники).

В шестой главе «Внедрение результатов исследований и их технико-экономическая оценка» даны технические характеристики разработанных машин и приводятся результаты производственных испытаний дискового культиватора-окучника, сведения об их внедрении в производство и оценка экономической эффективности разработанных рабочих органов и машин.

Работа выполнена в Башкирском государственном аграрном университете согласно тематическим планам научно-исследовательских работ и в соответствии с программой «Программа по производству, ремонту и обслуживанию сельскохозяйственной техники на предприятиях Республики Башкортостан и организация системы мониторинга ее состояния на 2001-2003 годы» и в Челябинском государственном агроинженерном университете согласно межведомственной координационной программе о фундаментальных и приоритетных прикладных исследованиях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 гг. «Науч-

ные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентосйособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции длядэас-тениеводства», где Челябинский государственный агроинженерный университет является исполнителем.

Надеемся, что поднятые в настоящей работе проблемы и пути их решения будут способствовать дальнейшему прогрессу теории почвообработки и служить основой для создания САПР почвообрабатывающих машин.

Подобные работы
Рахимов Ильдар Раисович
Совершенствование рабочих органов машин для основной обработки почвы на основе моделирования процесса взаимодействия клина с почвой
Крыжачковский Николай Людвигович
Повышение качества технологического процесса пахотного агрегата с регулятором глубины обработки почвы
Никитин Виктор Васильевич
Улучшение качества обработки междурядий ягодных кустарников в условиях суглинистых почв повышенной влажности путем совершенствования конструктивно-режимных параметров дисковой бороны
Мельников Алексей Иванович
Совершенствование технологического процесса предпосадочной подготовки почвы при возделывании картофеля путем разработки рабочего органа для формирования гребней
Шабалин Антон Михайлович
Повышение эффективности функционирования машины предварительной очистки зерна путем совершенствования рабочих органов
Сычугов Андрей Николаевич
Повышение эффективности функционирования машины вторичной очистки зерна путем совершенствования рабочих органов
Катченков Сергей Александрович
Совершенствование технологии и комплекса машин для производства семян и волокна льна путем оптимизации технологических и конструктивных параметров рабочих органов
Гайфуллин Гаяз Закирович
Механико-технологические основы разработки и совершенствования рабочих органов машин для почвозащитного земледелия
Разбежкин Николай Иванович
Совершенствование конструкции рабочего органа плуга на основе моделирования технологического процесса вспашки
Матвеев Дмитрий Олегович
Повышение эффективности и качества процесса сушки зерна с использованием виброциркуляционных аппаратов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net