Evaluating the Operational Efficiency of a Combined Tillage Cultivator

Full Text

Введение

В настоящее время при производстве сельскохозяйственной продукции на обработку почвы расходуется до 40 % энергии. Снижение расходов энергии возможно благодаря уменьшению количества обработок почвы и совершенствованию параметров рабочих органов. Однако при этом увеличиваются затраты на борьбу с сорной растительностью химическим способом. Упрощение конструкции рабочих органов ведет к снижению тягового сопротивления агрегатов. Это влечет за собой ухудшение качества обработки почвы. С другой стороны, чтобы повысить качество обработки, необходимо дополнительно интенсифицировать воздействие на почву, что приведет к росту энергетических затрат [1–5].

При обработке почвы должны выполняться следующие условия: сохранение и улучшение физико-механических свойств почвы, уничтожение сорной растительности, создание наиболее благоприятной среды для размножения и жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, прорастания семян, развития растений [6–8].

В современном земледелии одним из направлений снижения тягового сопротивления является совмещение технологических операций с учетом почвенно-климатических условий зоны применения и особенностей возделываемых сельскохозяйственных культур. Совмещение операций в комбинированных машинах и агрегатах позволяет снизить энерго- и материальные затраты, а также обеспечить влагосбережение [9; 10].

Для адаптации к различным условиям и состояниям обрабатываемого поля комбинированный культиватор необходимо оснастить такими рабочими органами и механизмами, которые обеспечат высокую эффективность выполнения всего комплекса взаимно дополняющих технологических операций. Поэтому исследования, направленные на разработку соответствующего почвообрабатывающего орудия, остаются актуальными и имеют большое значение для агропромышленного комплекса России.

Цель исследования – оценить эффективность комбинированного культиватора для поверхностной обработки почвы и повысить качество его работы.

Обзор литературы

Комбинированные культиваторы и агрегаты обычно выпускаются в полуприцепном исполнении и агрегатируются с энергетическими средствами. Основными рабочими органами являются стрельчатые, долотообразные лапы и прикатывающие катки. Дополнительно на раме культиватора устанавливаются выравнивающие доски, обеспечивающие разбивку комков и выравнивание поверхности почвы, а также сферические диски. Лапы устанавливаются на пружинных или жестких стойках [11].

В исследованиях установлено, что экономически выгодными являются почвообрабатывающие агрегаты с пружинными стойками. Широкое применение в конструкциях культиваторов и агрегатов нашли два типа пружинных стоек: S-образная и С-образная стойки. Данные стойки обладают лучшими энергетическими и агротехническими показателями, меньшим износом органов и возможностью работы на повышенных скоростях, что приводит к самоочистке от сорной растительности [12–14].

Основными недостатками пружинных стоек является то, что рабочие органы из-за неоднородности почвенного слоя в процессе работы отклоняются от первоначального положения. При увеличении угла наклона органа к горизонту возрастает тяговое сопротивление культиватора, бороздообразование, гребнистость и неустойчивость глубины обработки.

Для дробления глыб, уплотнения и выравнивания почвы, разрушения почвенной корки применяют катки. Поверхность рабочих органов катков разнообразна и предназначена для выполнения многообразных функций. На качество выполняемого технологического процесса влияет конструкция, геометрические размеры катков, кинематические и динамические параметры их работы, а также состояние обрабатываемого агрофона. Для эффективного крошения комков применяют прутковые катки. Продольно-прутковые катки сварной конструкции собраны в однорядную секцию и с помощью рычагов присоединяются к раме культиватора. Шарнирно-подпружиненное соединение катков с рамой агрегата обеспечивает копирование микрорельефа поля и предохраняет от поломок при встрече с препятствиями. Для обеспечения качества выравнивания поверхности почвы применяют спиралевидную форму расположения прутков¹ [15–19].

Однако в современных конструкциях комбинированных культиваторов отсутствует автоматическое регулирование величины давления рабочих органов катков на почву в зависимости от ее состояния и физико-механических свойств.

Материалы и методы

Пружинную стойку с механической точки зрения можно представить в виде пружины двоякой кривизны, а с геометрической – как криволинейный стержень [20; 21].

Свободные изгибные колебания пружинной стойки можно описать следующим уравнением:

$k\frac{d^{4}u(x,t)}{d{x}^4}+h\frac{d^{4}u(x,t)}{dtd{x}^4}+m\frac{d^{2}u(x,t)}{d{t}^2}=0$ , (1)

где u(x, t) – отклонение пружинной стойки от первоначального положения, м; k – жесткость стойки, Н/м; m – погонная масса стойки, кг/м; h – коэффициент, учитывающий внутреннее трение.

Для жесткого закрепления пружинной стойки к раме культиватора граничные условия имеют следующий вид:

$\left.\begin{array}{l}u(o,t\text{) }=u\text{ (}L\text{, }t\text{) }=\text{ 0 }\\ \frac{du}{dx}\left|{}_{\begin{array}{l}x=0\\ t=t\end{array}}\right.=\frac{du(x,t)}{dx}\left|{}_{\begin{array}{l}x=L\\ t=t\end{array}}\right.=0\end{array}\right\}$    (2)

где L – длина пружинной стойки.

Жесткость стойки k и ее погонная масса m вычисляются по формулам (3) и (4).

Жесткость на изгиб пружинной стойки определяется по формуле:

$k=\frac{2EJ\sin {\beta }_1}{2+\mu {\cos }^2{\beta }_1+\frac{\mu {\cos }^2{\beta }_1}{4\pi i_1}\sin 4\pi i_1}$ ,  (3)

где Е – модуль упругости, Па; $J=\frac{bh}{12}(h^2+b^2)$  – осевой момент инерции стойки, м⁴; β₁ – угол наклона, град; i₁ – число витков, шт; μ – коэффициент Пуассона.

$m=\frac{\pi \cdot S_{СЕЧ}D\cdot i_I}{L_{}\cdot \cos {\beta }_I}\cdot \frac{\gamma }{g}$ ,             (4)

где D – диаметр пружины, м; S_сеч – площадь поперечного сечения, м²; γ – удельный вес материала (плотность сложения), н/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Вышеперечисленные параметры рыхлительного рабочего органа обеспечивают устойчивость хода по глубине, интенсивность колебательного процесса и вероятность его выглубления с учетом почвенных условий.

Максимальная плотность почвы при уплотнении ее прутком катка достигается при его заглублении на глубину, равную радиусу прутка. При дальнейшем его заглублении происходит увеличение глубины распространения уплотнения [22–25].

Для определения расстояния между центрами прутков катка l рассмотрим случай, когда в почву внедряется только один пруток и глубина его погружения равна его радиусу r.

Из данных рисунка 1 расстояние между центрами прутков определяется по выражению [16]:

$l^2=2R_{}^2-2R_{}^2\cos 2\alpha$ ,           (5)

где R – радиус катка, м; α – угол заглубления прутка катка; град.

Зная, что $\cos 2\alpha =1-2\sin {\alpha }^2$  , после преобразования уравнения (5) получим:

$l=\sqrt{2r\cdot R_{}^{}}$ .                    (6)

где r – радиус прутка, м.

 

 

 

Рис.  1.  Схема к определению расстояния между центрами прутков

Fig.  1.  Diagram for determining the distance between the centers of the bars

 

С агротехнической точки зрения автоматические изменения жесткости стойки и силы давления катка на почву позволяют повысить качество обработки почвы, уменьшить потери почвенной влаги, а также снизить затраты энергии при обработке почвы тяжелого механического состава. При прохождении агрегата по уплотненному участку увеличиваются давление катка на почву и жесткость стойки, и наоборот, при прохождении агрегата по рыхлому участку давление катка на почву и жесткость уменьшаются. Это приводит к повышению качества обработки почвы [26–31].

На основании этого предложена и разработана конструкция комбинированного культиватора (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Комбинированный культиватор: 1 – рама; 2 – почвообрабатывающий каток;
3 – рычаг; 4 – регулятор жесткости; 5 – механизм регулирования; 6 – пружинная стойка;
7 – пружина; 8 – рабочий орган

Fig. 2. Combined cultivator: 1 – frame; 2 – tillage roller; 3 – lever; 4 – stiffness regulator;
5 – control mechanism; 6 – spring rack; 7 – spring; 8 – working body

 

В конструкцию комбинированного культиватора введен механизм регулирования 5 глубины хода рабочих органов 8, закрепленных на пружинных стойках 6. Механизм регулирования 5 шарнирно закреплен с одной стороны к раме 1 культиватора через рычаг 3, а с другой – к регулятору жесткости 4.

В процессе работы, в зависимости от силы Р, которая действуюет на рабочие органы 8 и определяется физико-механическими свойствами почвы на конкретном участке поля, стойка 6 деформируется. Сигнал от деформируемой стойки поступает на следящее звено, которое, в зависимости от величины сигнала, изменяет положение механизма регулирования 5, увеличивая или снижая жесткость стойки 6. Одновременно при изменении положения регулятора 4 меняется воздействие на пружину 7, а от рычага 3 соответствующее усилие передается на подвеску катка.

Пружина 7 в механизме выступает как упругий элемент, основным рабочим свойством которого является способность существенно деформироваться под нагрузкой. Как правило, эта деформация упругая, и после снятия нагрузки элемент восстанавливает свои размеры.

При перемещении агрегата по полю с изменением (ростом) плотности участка почвы регулятор жесткости 4 поворачивается по часовой стрелке, увеличивая жесткость стойки 6, преодолевает сопротивление пружины 7 (сжимает ее) и воздействует на рычаг 3, который перемещается вниз, усиливая давление на каток. Происходит стабилизация глубины хода рабочих органов 8 на пружинных стойках 6, и усиливается давление катка 2. Пройдя уплотненный участок поля, жесткость стойки 6 автоматически понижается, механизм разжимает пружину, происходит снижение давления катка 2, а стойка 6 с рабочим органом 8 при уменьшении жесткости увеличивает амплитуду колебаний. Этим обеспечивается повышение качества обработки в зависимости от плотности почвы.

С целью дальнейшего исследования взаимодействия рыхлящих, дробящих и прикатывающих рабочих органов на почву на базе Института механики и энергетики МГУ им. Н. П. Огарёва была разработана экспериментальная модель комбинированного культиватора (секция культиватора). Данную модель культиватора испытывали на почвенном канале кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Лабораторная установка по испытанию культиватора

Fig. 3. Laboratory installation for testing the cultivator

 

Почвенный канал заполнен легкосуглинистой почвой влажность 17–21 %, твердость поддерживали постоянной на различной глубине обработки. На глубине 4 см твердость была 1,15 МПа, 8 см – 1,2 МПа, 12 см – 1,25 МПа.

В качестве критерия оптимизации рассматривали тяговое сопротивление секции культиватора и крошение почвы (размер фракций от 0 до 25 мм). С использованием методики априорного ранжирования были определены следующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на критерии оптимизации: скорость культиватора, глубина обработки и давление катка на почву.

Тяговое усилие на перемещение секции культиватора замеряли с помощью тягового звена, подключенного к компьютеру через комплекс ZETlab.

Результаты исследования

Для оценки эффективности и изучения показателей работы культиватора был проведен многофакторный эксперимент первого порядка. Экспериментальные исследования секции культиватора проводили с внедрением в ее конструкцию механизма регулирования 5 (рис. 2) жесткости стойки и давления катка на почву и без него (серийная секция культиватора). Результаты экспериментальных исследований секции культиватора представлены на рисунках 4 и 5.

 

 

 

Рис. 4. Изменение тягового сопротивления от глубины обработки (скорость 12 км/ч):
1 – экспериментальный культиватор; 2 – серийный культиватор

Fig. 4. Change in tractive resistance caused by the tillage depth (speed 12 km/ h):
1 – experimental cultivator; 2 – serial cultivat

 

 

 

 

 

Рис. 5. Зависимость крошения почвы от глубины обработки (скорость 12 км/ч):
1 – экспериментальный культиватор; 2 – серийный культиватор

Fig. 5. Dependence of soil crumbling on the tillage depth (speed 12 km/h):
1 – experimental cultivator; 2 – serial cultivator

 

Из полученной зависимости следует, что при увеличении глубины обработки тяговое сопротивление возрастает. Однако применение в конструкции модели культиватора механизма регулирования приводит к снижению его тягового сопротивления по сравнению с серийным. Это связано с уменьшением рабочей длины упругой стойки. В связи с этим увеличивается ее жесткость, а угол наклона рабочего органа (стрельчатой лапы, закрепленной на стойке) к горизонту уменьшается.

Как видно на рисунке 5, крошение почвы при ее обработке экспериментальным культиватором выше по сравнению с серийным. Это достигается благодаря увеличению давления прикатывающего катка на почву. Однако с увеличением глубины обработки крошение почвы понижается.

Обсуждение и заключение

Использование разработанной модели культиватора (секции культиватора) приводит к снижению тягового сопротивления на 10–15 % и к улучшению крошения почвы. Это возможно благодаря внедрению в конструкцию культиватора механизма регулирования. В процессе работы на твердых участках поля угол наклона рабочих органов (стрельчатых лап) к горизонту не увеличивается, а дополнительное приложенное усилие к катку способствует разрушению образовавшихся больших комков почвы.

Полученные положительные результаты при лабораторных испытаниях являются предпосылкой для дальнейшей работы по обоснованию конструктивно-технологических параметров и режимов работы комбинированного культиватора для поверхностной обработки с последующими испытаниями в полевых условиях.

 

 

¹           Проектирование катковых приставок для пахотных агрегатов. Рекомендации / И. С. Крук [и др.]. Минск. : БГАТУ, 2017. 104 с.

 

About the authors

Mikhail N. Chatkin

National Research Mordovia State University

Email: chatkinm@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3758-7066
ResearcherId: O-7004-2018

Professor of the Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural
Machinery, Dr.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Sergey Ye. Fedorov

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: seregafedorov1989@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7784-1946
ResearcherId: GSD-7587-2022

Associate Professor of the Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural
Machinery, Cand.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Aleksey A. Zhalnin

National Research Mordovia State University

Email: alekseisxm@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0719-9492
ResearcherId: GSE-3853-2022

Lecturer of the Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Maksim V. Bychkov

National Research Mordovia State University

Email: maxim95a@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-0521-3294
ResearcherId: GSI-5982-2022

Postgraduate Student

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

References

Supplementary files