Диссертация посвящена совершенствованию комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков и разработке многофункциональной планировочной машины с расширенными техническими и технологическими возможностями.
Актуальность исследований.
Мировой и отечественной практикой земледелия доказано, что планировка или выравнивание поверхности земли является главным мелиоративным мероприятием, предназначенным для устранения имеющихся на поле неровностей в виде различных повышений и понижений. Наиболее ярко эффективность планировки проявляется, на рисовых чеках, от микрорельефа которых в первую очередь зависит урожайность риса и других культур рисового севооборота. При строительстве, реконструкции и эксплуатации рисовых оросительных систем по действующим требованиям колебания отметок микрорельефа чеков не должны превышать ± 5 см. Накопленный опыт выращивания риса в Краснодарском крае подтверждает, что неровности поверхности чеков, находящиеся в пределах ±10. 13 см, приводят к снижению урожайности риса в 1,5−2,7 раза и увеличению расхода поливной воды в 1,7−3,4 раза, что иллюстрируется таблицами 1 и2[12,14,17].
Необходимо отметить, что высокоточной планировке рисовых чеков отводитея особая роль. Так, например, по данным Величко Е. Б. и Шумакова Б. Б. урожайность риса при колебаниях отметок чеков, спланированных с повышенной точностью равной ±-3см, в 1,5 раза выше, а затраты поливной воды в 1,6 раза ниже, чем при отклонениях отметок чеков в пределах ±-5см. Таким образом, повышение точности планировки на ±-2см дает прибавку урожайности риса на 19,9 ц/га (47%) и экономию поливной воды 1621 м³ на тонну риса сырца (36%) [12,14].. г.
В современных условиях эксплуатационная (предпосевная) планировка выполняется длиннобазовыми планировщиками, что не всегда эффективно, 4 т.к. при этом не достигается требуемая точность планировки из-за отсутствия автоматической системы управления рабочим органом по высоте.
При капитальной планировке рисовых чеков применяют различные технологии, где в качестве ведущих машин используют короткобазовые планировщики с бездонным ковшом и клин — планировщики. Применение на этих машинах лазерных систем автоматического управления (ЛСАУ) позволяет достигать высокой точности планировки (±-3см). Однако при этом появляется необходимость в использовании других машин, что приводит к увеличению земляных работ.
При всем многообразии существующих технологий и машин сегодня отсутствует единый подход к определению оптимальных параметров земле-ройно-планировочных машин, остается неясным, какими критериями следует руководствоваться при выборе типа машин и совершенствовании комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков.
Решение этой проблемы становится чрезвычайно своевременным, поскольку по оценке ВНИИриса около 70% существующих рисовых систем остро нуждаются в реконструкции. Учитывая, что в России к настоящему времени по данным НИИТЭИагропром площади посевов риса составляют 170 тыс. га, то проведение точной планировки дополнительно может дать примерно 217 тыс. тонн риса ежегодно.
Цель и задачи работы.
Цель работы — совершенствование комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков и разработка универсальной землеройно-планировочной машины.
Для достижения указанной цели должны быть выполнены следующие t этапы:
1. Провести обзор и анализ современного состояния планировочных работ и обоснование необходимости его совершенствования.
2. Провести статистический анализ состояния поверхности рисовых чеков 5 и обосновать рациональный выбор вида планировки рисовых чеков и типа землеройно-планировочных машин.
3. Сформировать концепцию универсальной землеройно-планировочной машины — скрепера-планировщика и разработать его конструкцию.
4. Разработать физические модели скрепера-планировщика и на основе проведения лабораторных исследований обосновать его основные параметры.
5. Провести предварительные испытания опытного образца скрепера-планировщика.
6. Разработать комплексную технологию съемки, проектирования и планировки рисовых чеков, а также контроля точности спланированной поверх.
— 1. ности.
7. Усовершенствовать многофункциональную лазерно-программную систему автоматического управления (ЛП САУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и провести ее полевые испытания.
8. Оценить технико-экономические показатели скрепера-планировщика.
9. Разработать рекомендации по применению скрепера — планировщика.
Методика исследований.
Теоретические исследования базируются на использовании методов теории вероятности и математической статистики, теории случайных функций и методов статистической динамики.
Лабораторные исследования проводились на основе методов физического и физико-математического моделирования и применения цифровой фотосъемки. При проведении полевых исследований различных технологий планировки рисовых чеков применялся метод производственной апробации с применением автоматизированных землеройно-планировочных машин в ри-сосеящих хозяйствах Краснодарского края. Регистрация исследуемых параметров ЛСАР проводилась методами лабораторных и полевых измерений с применением специальной электронной и лазерной аппаратуры. б.
Технологические параметры определялись инструментальными замерами и хронометражными наблюдениями. Для обработки экспериментальных данных использовались методы корреляционного и спектрального анализа, реализованные в стандартных компьютерных программах.
Достоверность основных выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с результатами полевых и лабораторных испытаний.
Научная новизна работы.
В результате теоретических исследований разработана трехмерная модель поверхности рисового чека, получены обобщенные статистические характеристики микрорельефов рисовых чеков, предложена их классификация по объемам земляных работ и распределению их по поверхности, получены данные по амплитудам неровностей в зависимости от их длины, дан анализ технологических возможностей применяемых землеройно-планировочных машин.
Уточнены математические модели землеройно-планировочных машин и сформулирована концепция универсальной землеройно-планировочной машины — скрепера-планировщика. На основе лабораторных исследований разработанных физических моделях и полевых испытаний изготовленных опытных образцов скрепера-планировщика обоснованы основные параметры машины.
Разработан комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. Усовершенствована многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика. В результате проведенных лабораторных и полевых исследовательских испытаний экспериментальных и опытных образцов ЛПСАУ установлены их основные характеристики. «.
Апробация работы.
Результаты исследований комплексного технологического процесса планировки рисовых чеков использованы УГП «Инженерный центр «Луч» при внедрении научно-технической продукции по договору с Департаментом мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Министерства сельского хозяйства Российской Федерации за № 20−01-ЗВ от 10.01.2001 г.
Основные результаты исследований докладывались на заседаниях научно-технических конференций, проводимых ежегодно в Московском государственном университете природообустройства в период 1997;2008 гг, а также в 2007 г. на международных конференциях в Московском государственном горном университете (МГГУ).
Основные теоретические положения диссертации и разработанные элементы конструкции скрепера-планировщика (гидросистема и лазерно-программная система автоматического управления) прошли апробацию в рисосе’ящих хозяйствах Краснодарского края и на заводе изготовителе машины.
Практическая ценность исследований.
На основе выдвинутой концепции универсальной землеройно-планировочной машины автором разработана конструкторская документация на скрепер-планировщик СП — 4,0 и СП — 4,0А, по которой заводом Ставропольского края изготовлены опытные образцы. Первый образец СП-4,0 успешно прошел заводские и приемо-сдаточные испытания и используется в настоящее время при планировке рисовых чеков в хозяйстве Краснодарского края.
Конструкция разработанного скрепера-планировщика защищена патентом на полезную модель, подготовлена заявка на полезную модель усовер-шенстдеванной конструкции машины.
По результатам рекомендаций диссертационной работы изготовлены и успешно прошли полевые испытания опытные образцы лазерно8 программной системы автоматического управления с гидроблоком в хозяйствах Краснодарского края.
Разработаны рекомендации по применению автоматизированного скрепера — планировщика.
На защиту выносятся:
1. Методика статистической оценки неровностей поверхности рисовых чеков в трехмерном ее представлении.
2. Обобщенные статические характеристики микрорельефов рисовых чеков,.
3. Результаты выбора вида планировочных работ и типа землеройно-планировочных машин.
4. Разработанные конструкции универсальной планировочной машиныскрепера-планировщика.
5. Разработанные физические модели скрепера-планировщика и результаты их лабораторных исследований.
6. Комплексный технологический процесс съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности. о.
7. Усовершенствованная многофункциональная лазерно-программная система автоматического управления (ЛПСАУ) высотным положением рабочего органа скрепера-планировщика и результаты ее лабораторных и полевых исследовательских испытаний.
8. Рекомендации по применению автоматизированного скрепера-планировщика и его технико-экономическая эффективность.
Публикации.
По материалам диссертационных исследований опубликовано 6 печатных работ в период 2003;2008гг.
1. Совершенствование рабочих процессов выполнения текущих планировочных работ при выравнивании с/х полей. Горный информационно-аналитический бюллетень № 8, МГУП, 2004.
2. Характеристики микрорельефа рисовых чеков и рекомендации по повышению эффективности планировочных работ, МГУП, 2005 (в соавторстве).
3. Повышение эффективности роботы мелиоративного планировщика и снижение экономических затрат на проведение текущей планировки, МГУП, 2006.
4. Планировщики полей с лазерным управлением. ФГНУ ЦНТИ «Мелио-водинформ», М, 2007 (в соавторстве).
5. Патент на полезную модель № 61 733 Скрепер-планировщик, Бюллетень. № 7 от 10.03.2007 (в соавторстве).
Ч г.
6. Патент на полезную модель № 72 992 Планировщик, Бюллетень .№ 13 от 10.05.2008 (в соавторстве).
7. Ефремов А. Н. и Антонов Е. В. Лазерная планировка рисовых чеков. Вопросы мелиорации, № 1−2, ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ», М, 2008.
8. Антонов, Е. В. Комплексная технология планировки рисовых чеков с применением автоматизированного скрепера-планировщика Е. В. Антонов «Мелиорация и водное хозяйство» — 2008 № 4.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах и содержит 150 таблиц, рисунков, список используемой литературы из наименований и приложений настраницах.
Общие выводы.
1. Точность планировки рисовых чеков назначают в пределах ± 3 см, что обеспечивает максимальную урожайность риса и наибольшую экономию поливной воды. В настоящее время состояние поверхности рисовых систем не соответствует этим требованиям и почти 41% рисовых чеков нуждаются в точной планировке. При этом хозяйства не дополучают около 26% урожая риса и потребляют примерно на 33% больше поливной воды. В процессе эксплуатации рисовых оросительных систем происходит искажение спланированной поверхности чеков с образованием значительных неровностей, приводящих к возрастанию объемов земляных работ и увеличению стоимости планировки. Поэтому одной из главных задач повышения урожайности риса, экономии поливной воды и сокращения стоимости работ является регулярное проведение точной планировки на всей площади посевов риса.
2. Обзор и анализ применяемых землеройно-планировочных машин, лазерного оборудования и существующих технологий планировки рисовых чеков показал, что скреперы и длиннобазовые планировщики не обеспечивают требуемую точность планировки из-за отсутствия системы автоматического управления. Короткобазовые планировщики с лазерным управлением удовлетворяют требованиям к точности планировки. Однако они ограничены в применении из-за ряда присущих им недостатков и нуждаются в совершенствовании. Поэтому возникает необходимость в создании принципиально новой универсальной планировочной машины. При оснащении разрабатываемой машины усовершенствованной лазерно-программной системы управления она может обеспечить многофункциональный режим съемки, проектирования и планировки рисовых чеков и контроля точности спланированной поверхности.
3. На основе теоретических исследований разработана трехмерная модель неровностей поверхности рисовых чеков. Установлено, что обобщенной характеристикой, позволяющей взвешенно оценить степень неравномерности чека по высоте, можно считать дисперсию или среднеквадратическое откло.
130 нение, которое изменяется в диапазоне то 2,5 до 9 см. Скрепер-планировщик можно эффективно использовать при проведении ежегодной и периодической (через 2 года) планировки с объемами земляных работ не превышающими соответственно 100 и 150 мЗ/га при среднеквадратических отклонениях не выше 3 и 4.2 см и величинах срезок до 10 см. На капитальной планировке рисовых чеков целесообразно применять скреперы с лазерно-приемной аппаратурой совместно с автоматизированными планировщиками.
4. Разработанные математические модели землеройно-планировочных машин показывают, что неавтоматизированный планировщик не может планировать длинные неровности. Автоматизированный планировщик обеспечивает их выравнивание с высокой точностью. Однако из-за периодического переполнения грунтом ковша требуется применение дополнительной машины-скрепера. Во избежание этого необходимо разработать универсальную планировочную машину со свойствами скрепера и планировщика.
5. Проведенными лабораторными исследованиями разработанных физических моделей скрепера — планировщика в грунтовом лотке выявлено, что среднее тяговое усилие в режиме работы планировщика составляет 4,5тс и колеблется в интервале от 4 до 5,2тс. Это позволяет агрегатировать скреперпланировщик с базовым трактором бтс. В скреперном режиме работы максимальный объем грунта в ковше составляет 5 м, среднее тяговое усилие при транспортировке грунта в ковше равно 0,63тс при разбросе нагрузок от 0,4 до 0,8тс.
6. По конструкторской документации, разработанной автором, заводом Ставропольского края изготовлены опытные образцы скрепера-планировщика, которые успешно прошли заводские и приемо-сдаточные испытания, признаны годными для эксплуатации и переданы в хозяйства Краснодарского края для проведения планировки рисовых чеков. Конструкция разработанной машины защищена патентом на полезную модель. Подготовлена заявка на изобретение усовершенствованного образца скрепера-планировщика.
7. Для сокращения времени на проведение типовой съемки разработан новый способ, в котором выбран маршрут ускоренной экспресс съемки. Наиболее близкий к оптимальному маршруту экспресс съемки является перекрестная схема, которая пересекает большинство неровностей чека с длиной 40 — 120 м. Расхождения проектных отметок между перекрестной и типовой съемкой не превышали 0,4 см (0,3%), а длина перекрестного маршрута составила 40% от траектории типового маршрута съемки.
8. Для составления проекта планировочных работ разработан аналитический способ расчета высотных отметок и месторасположений зон срезок, насыпей и зон нулевых работ с помощью усовершенствованной лазерно-программной системы автоматического управления (ЛП САУ), что позволяет наметить рациональный маршрут передвижения машины до планировки. На новый способ съемки и проектирования подана заявка на изобретение. Технологическую схему работы автоматизированной землеройно-планировочной машины рекомендуется определять после съемки по величинам среднеквадратических отклонений. •.
9. Усовершенствованная лазерно-программная система автоматического управления (ЛП САУ) обеспечивает режимы съемки, проектирования и планировки и позволяет проводить весь комплекс планировочных работ на одной машине. Для ЛП САУ разработана гидросистема с гидроблоком ГБ — У, на которую оформлена заявка на полезную модель. В результате проведенных лабораторных и полевых исследовательских испытаний опытного образца ЛП САУ установлены его основные технические характеристики, которые соответствуют предъявляемым требованиям и подтверждают его работоспособность. Погрешность измерения высотных отметок ЛП САУ в сравнении с данным нивелировки составляет ± 1,5 см (1,1%), т. е. наблюдается близкая сходимость результатов независимых замеров.
10. На основании выполненной работы разработаны рекомендации по применению скреперапланировщика с усовершенствованной лазерно-программной системой автоматического управления (ЛП САУ). Экономиче.
132 ский эффект ежегодной планировки с применением автоматизированного скрепера-планировщика, составляет 2,8 тыс. руб./га и 3763 тыс. руб. в год при стоимости планировки 1293 руб./га за счет прибавки урожайности риса-сырца после проведения лазерной планировки (± 3 см). Эффективность периодической планировки, проводимой через 2 года, в 2,8 -2,9 раза меньше по сравнению с ежегодной планировкой, т.к. в этом случае за время эксплуатации рисовых чеков снижается качество (точность) планировки и растут потери урожайности риса.
