CC BY
3УДК 631.313.3 Статья поступила 25.06.2023 г
4.3.1. Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса РО! 10.35524/2227-0280_2023_04_44
АГРОТЕХНИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПРУЖИННОЙ БОРОНЫ С СЕКЦИЯМИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИМИ РАВНОМЕРНУЮ ПО ГЛУБИНЕ ОБРАБОТКУ ПОЧВЫ
г С.Д. Шепелев,
доктор технических наук, профессор, проректор по научной и инновационной работе, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г. Челябинск
М. В.Пятаев,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технологии и механизации животноводства», ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г. Челябинск
Е. В. Шалонкина,
аспирант кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технологии и механизации животноводства», ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, г. Челябинск
Ключевые слова: пружинная борона, пружинные зубья, копирование микрорельефа, тяговое сопротивление, буксование, глубина обработки
Key words: spring harrow, spring teeth, microrelief copying, traction resistance, slipping, processing depth
Широкозахватные пружинные бороны эффективно применяются на операциях рыхления и выравнивания почвы, заделки минеральных удобрений, борьбы с сорняками. Также отмечается их высокая эффективность при работе на стерневых фонах с большим количеством пожнивных остатков. Последний аспект позволяет использовать машины данного типа в технологиях минимальной и нулевой обработки почвы, в частности, при распределении соломы по поверхности поля [1-3].
Одним из наиболее существенных недостатков широкозахватных пружинных борон является неудовлетворительное качество обработки почвы на полях с ярко выраженным рельефом. В особенности это касается впадин микрорельфа, в которых не обеспечивается равномерное заглубление пружинных зубьев в почву, ввиду того что секции большинства борон имеют недостаточную возможность вертикальных перемещений [4-7]. Для устранения указанного недостатка предложена конструкция широкозахватной пружинной бороны с параллелограммной системой крепления секций (рис. 1). Данное техническое решение обеспечивает возможность секциям бороны перемещаться поступательно в про-
дольно-вертикальной плоскости, что создает благоприятные условия для копирования микрорельефа поверхности поля рабочими органами [8].
Также следует отметить, что использование дополнительного блока компенсирующих пружин в конструкции секции позволяет значительно расширить диапазон технологических регулировок машины, за счет чего можно добиться необходимой глубины хода пружинных зубьев и повысить качество обработки почвы.
Таким образом, оценка основных агротехнических и энергетических показателей машинно-тракторного агрегата при работе с разработанной широкозахватной пружинной бороной имеет значительную актуальность.
Цель исследований: оценка агротехнических и энергетических показателей агрегата с экспериментальной пружинной бороной на операции по распределению соломы по поверхности поля.
Методы исследования. Для достижения намеченной цели исследований проведен ла-бораторно-полевой эксперимент на полях сельскохозяйственного предприятия, расположенного в лесостепной зоне Южного Урала. На предприятии, где проводились исследова-
Рис. 1. Схема секции пружинной бороны с параллелограммной подвеской:
1 - брус рамы бороны; 2 - продольный кронштейн; 3 - блок компенсирующих пружин; 4 - рамки; 5 - регулятор угла наклона пружинных зубьев; 6 - секция; 7 - пружинные зубья
ния, возделывание зерновых культур осуществляется по технологии no-till, в связи с этим значительное внимание уделяется вопросам равномерного распределения соломы по поверхности поля после уборки урожая. Для проведения эксперимента использовался
машинно-тракторный агрегат в составе трактора К-744Р3 и экспериментальной пружинной бороны БП-21 (рис. 2). Основные технические характеристики экспериментальной широкозахватной пружинной бороны представлены в таблице 2.
Таблица 2
Технические характеристики пружинной бороны БП-21
Наименование параметра Значение
ширина захвата, м 21
рабочая скорость движения, км/ч, не более 18
транспортная скорость, км/ч, не более 20
тип рабочего органа пружинные зубья
число рядов зубьев 5
количество секций 7
шаг зуба, мм 610
масса конструкционная, кг 6000
производительность за 1 час основного времени, га, не более 37
глубина обработки почвы, см 4...12
количество обслуживающего персонала, чел. 1
Рис. 2. Машинно-тракторный агрегат при проведении лабораторно-полевых экспериментов
Программа экспериментальных исследований включала в себя следующее:
- оценка условий проведения эксперимента;
- определение агротехнических показателей машинно-тракторного агрегата на операции по распределению соломы по поверхности поля при различных эксплуатационных режимах;
- определение величины тягового сопротивления экспериментальной пружинной бороны БП-21 при различных эксплуатационных режимах;
- обработка и анализ полученных результатов.
Выбор участка для проведения эксперимента
и оценка условий осуществлялись в соответствии с ГОСТ 20915-2011 и ГОСТ 33687-2015.
В ходе эксперимента определялись следующие основные для работы на стерневом фоне агротехнические показатели: глубина обработки почвы (среднее значение и отклонение); равномерность распределения соломы по поверхности поля.
Глубина обработки почвы оценивалась в соответствии с ГОСТ 33687-2015. Равномерность распределения соломы определялась по величине коэффициента вариации, для этого неоднократно производились сбор и взвешивание соломы по ширине захвата агрегата до и после его прохода при различных эксплуатационных режимах. Сбор измельченной соломы осуществлялся с площади, равной одному метру квадратному, обозначаемой рамкой, из двадцати одной контрольной точки, равномерно расположенных по ширине захвата бороны (рис. 3а). Для взвешивания использовались электронные весы, представленные на рисунке 3 б.
Основные энергетические показатели определены по ОСТ 102.2-2002: время работы машинно-тракторного агрегата; рабочая скорость; тяговое сопротивление; буксование; мощность, потребляемая машиной; мощность, затрачиваемая на преодоление буксования, самопередвижение и преодоление тягового сопротивления.
Оценка величины тягового сопротивления производилась при помощи измерительно-вычислительного комплекса MIC-400D, к измерительному каналу которого было подключено тензозвено с пределами измерения усилий от 0 до 10 тонн (рис. 4). Тензозвено устанавливалось между трактором и пружинной бороной БП-21.
Полученные в ходе экспериментальных исследований осциллограммы обрабатывались в программе WinПОС 3.2.8.31, что позволяло определять математическое ожидание и стандартное отклонение величины тягового сопротивления при различных эксплуатационных режимах работы агрегата (рис. 5).
При проведении лабораторно-полевого эксперимента по оценке агротехнических и энергетических показателей работы машинно-тракторного агрегата с пружинной бороной были определены следующие параметры: скорость движения агрегата, угол установки пружинных зубьев и усилие, развиваемое блоком компенсирующих пружин (табл. 2).
Оценка агротехнических и энергетических показателей машинно-тракторного агрегата с пружинной бороной проводились совместно в идентичных условиях.
Рис. 3. Определение неравномерности распределения соломы по поверхности поля:
а - рамка 0,5х0,5 м; б - электронные весы
Рис. 4. Оценка величины тягового сопротивления:
а - MIC-400D в кабине трактора К-744Р3; б - тензозвено 10 тонн
Рис. 5. Осциллограмма тягового сопротивления пружинной бороны
Управляемые факторы и интервалы их варьирования при лабораторно-полевом эксперименте
Таблица 2
№ п/п Фактор Единица измерения Уровни Интервал
нижний -1 основной 0 верхний +1
1 скорость движения агрегата, ур м/с 4,0 (14,0) 4,0 (16,0) 5,0 (18,0) 0,5 (2,0)
2 угол установки пружинных зубьев, а град. 30 45 60 15
3 усилие, развиваемое блоком компенсирующих пружин, FП кН 4,0 6,0 8,0 2,0
Результаты исследований и обсуждение. лабораторно-полевого эксперимента пред-Результаты определения условий проведения ставлены в таблице 3.
сельскохозяйственные науки
Таблица 3
Условия проведения лабораторно-полевого эксперимента
Показатель Значение показателей
тип почвы и название по механическому составу обыкновенный чернозем тяжелый суглинок
культура зерновые колосовые
влажность соломы, % 8,2
распределение массы соломы по ширине захвата, г/м2: среднее,г стандартное отклонение, г коэффициент вариации, % 94 70 74,9
измельчение соломы, %, по фракциям, см: до 10 см свыше 10 см 63 37
рельеф ровный
микрорельеф ровный
влажность почвы в слое, % 0-5 см 5-10 см 22,23 22,02
твердость почвы по слоям, % 0-5 см 5-10 см 10-15 см 1,4 1,6 1,6
Экспериментально установлено значительное влияние на глубину обработки почвы угла установки пружинных зубьев. Так, при изменении угла с 30° до 60° глубина обработки почвы пружинными зубьями увеличивается с 2,4 см до 4,4 см (рис. 5). В целом же можно отметить недостаточное заглубление пружинных зубьев, что обусловлено наличием значительного количества пожнивных остатков на поверхности поля и твердостью почвы. При установке угла установки пружинных зубьев до 90° происходит сгруживание соломы и образование навалок.
Вместе с этим при данных физико-механических свойствах почвы и состоянии агрофо-на было установлено, что конструкция экспериментальной бороны позволяет увеличить глубину обработки почвы за счет дополнительной настройки усилия Fп блоков компенсирующих пружин при указанных выше углах а (рис. 6). Дополнительное заглубление рабочих органов в данном случае обуславливается тем, что усилие Fп создает направленную вертикально вниз силу, действующую на пружинные зубья секции. Данный эффект в некоторой степени подобен балластированию секции дополнительными грузами.
Оценка равномерности хода пружинных зубьев по глубине, принимая во внимание наличие стерни и твердость почвы, показала положительные результаты. Коэффициент
вариации глубины обработки не превышает 35 % (рис. 7), это обусловлено наличием па-раллелограммных подвесок секций, обеспечивающих копирование неровностей микрорельефа и блоков компенсирующих пружин, повышающих стабильность секций во время технологического процесса.
Оценка равномерности распределения соломы по поверхности поля показала эффективность применения пружинной бороны. Установлено, что изначальная неравномерность распределения соломы, равная 75%, полученная после работы зерноуборочного комбайна, снижается до 46,0 % и 38,7 % при углах установки пружинных зубьев 30° и 60°, соответственно.
Отдельно следует отметить, что увеличение усилия Fп, создаваемого блоками компенсирующих пружин секции, способствует снижению явления сгруживания соломы рабочими органами, что повышает универсальность машины (рис. 8).
Оценка величины тягового сопротивления бороны позволила установить значительную его зависимость от угла установки а пружинных зубьев и от усилия FП блоков компенсирующих пружин. Так, при увеличении угла а с 30° до 60° тяговое сопротивление бороны в среднем повышается на 3,0 кН (рис. 9 а), причем увеличение усилия FП в рассматриваемом диапазоне вызывает увеличение тягового сопротивления на 1,7...2,0 кН (рис. 9 б), что
я, м1
0,06
14 15 16 17 18
скорость агрегата ур км/ч
—Ф--угол 30° —о— - угол 60°
-- при Т^ =4,0 кН
--------при Г„=8,0 кН
Рис. 6. Зависимость глубины обработки от скорости движения и угла установки пружинных зубьев
а
Рис. 8. Распределение соломы: а
i
V,% Г
о £
g_ 10
14 15 16 17 18
скорость агрегата км/ч
-Ф--угол 30°
—о--угол 60°
Рис. 7. Зависимость коэффициента вариации, характеризующего неравномерность обработки почвы, от скорости движения и угла установки пружинных зубьев
б
- при Fn=4,0 кН; б - при Fn=6,0 кН
коррелируется с данными по определению глубины обработки (рис. 6).
Величина буксования движителей трактора в ходе эксперимента на рассматриваемых эксплуатационных режимах не выходила из диапазона 4,0...5,5%, что укладывается в агротехнический допуск.
Учитывая величину тягового сопротивления на рассматриваемых в ходе эксперимента режимах, суммарная потребляемая бороной мощность составила:
- от 68,2 до 99,2 кВт, при угле установки зубьев 30°;
- от 77,5 до 113,24 кВт, при угле установки зубьев 60°.
Суммарная потребляемая мощность с учетом затрат на преодоление буксования, само-
передвижение и преодоление тягового сопротивления составила:
- от 151,5 до 182,4 кВт, при угле установки зубьев 30°;
- от 183,1 до 218,8 кВт, при угле установки зубьев 60°.
По величине экспериментально установленных энергетических показателей разработанная борона находится примерно на уровне со сходными по техническим характеристикам машинами, например, БТИ-21, Кама-21, БПГП-21, Morris Field-Pro. Но имеет преимущество за счёт расширенного диапазона технологических регулировок, обеспечивая равномерную по глубине обработку почвы и распределение соломы по полю.
Рис. 9. Зависимость тягового сопротивления бороны от рабочей скорости vр (а), от усилия FП блока компенсирующих пружин (б)
Выводы
1. На основании лабораторно-полевых экспериментов установлена возможность эффективного использования разработанной широкозахватной бороны на операциях распределения соломы по поверхности поля.
2. Определена возможность равномерного распределения соломы по поверхности поля разработанной пружинной бороной с парал-лелограммной подвеской секций в пределах 38,7...46,0 %.
3. Выявлена зависимость глубины обработки почвы от угла установки пружинных зубьев и усилия, развиваемого блоком компенсирующих пружин секций бороны.
4. Величина тягового сопротивления бороны на стерневом фоне варьируется от 15,8 кН до 23,4 кН и зависит главным образом от глубины обработки, физико-механических свойств почвы и состояния агрофона.
Рекомендации. Для качественного рыхления и выравнивая почвы, равномерного распределения соломы по поверхности поля после комбайновой уборки рекомендуется сельскохозяйственным предприятиям использовать широкозахватную пружинную борону (патент на изобретение № 2779178).
Библиографический список
1. Shepelev, S. Study of the tractive resistance of the no-till planting section / S. Shepelev, M. Pyataev, E. Kravchenko. - Text : unmediated // FME Transactions. - 2022. - Vol. 50. - No 3. -Рр. 502-511.
2. Theoretical and experimental studies of the tractive resistance of the sowing complex for the no-till technology / S. D. Shepelev, A. M. Plaksin,
I. P. Troyanovskaya [and etc.]. - Text : unmediated // Proceedings of the 8th International Conference on Industrial Engineering. Lecture Notesin Mechanical Engineering. - 2022. - Рр. 341-350.
3. Фeдорeнкo, И. Я. Численно-аналитическое моделирование колебаний зуба пружинной бороны / И. Я. Федоренко. - Текст : непосредственный // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2018. - № 1 (159). - С. 162-167.
4. Дородов, П. В. Расчет и обоснование рациональных параметров пружинного пальца тяжелой стерневой бороны / П. В. Дородов, А. Г. Иванов, А. П. Бодалев. - Текст : непосредственный // АгроЭкоИнфо. - 2018. - № 3 (33). - С. 65.
5. Ovchinnikov, A. S. The optimum geometrical form modeling of the «striegel» type harrow / A. S. Ovchinnikov, V. S. Bocharnikov, D. A. Sko-robogatchenko. - Text : unmediated // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences.
- 2018. - Vol. 13. - No 23. - Рр. 9138-9144.
6. Optimization of parameters of a multifunctional unit based on a spring harrow / G. G. Mas-lov, V. P. Lavrentiev, V. V. Tsybulevsky [and etc.].
- Text : unmediated // International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2019.
- Vol. 9. - No 1. - Рр. 1915-1918.
7. Substantiation of process variables and modes of heavy spring-tooth harrow / A. G. Iva-nov, A. V. Kostin, R. R. Shakirov [and etc.]. - Text : unmediated // International Journal of Emerging Trends in Engineering Research. - 2020. - Vol. 8. - No 3. - Рр. 695-704.
8. Патент № 2779178 Российская Федерация, МПК A01B 19/04 (2006.01), A01B 23/04 (2006.01), A01B 63/26 (2006.01). Борона пру-
жинная : № 2021134126 : заявл. 22.11.2021 ; опубл. 05.09.2022 / Шепелёв С. Д., Кравченко Е. Н., Теличкина Н. А., Пятаев М. В., Шалон-кина Е. В.; заявитель ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, Институт агроинженерии. - Текст : непосредственный.
References
1. Shepelev, S. Study of the tractive resistance of the no-till planting section / S. Shepelev, M. Pyataev, E. Kravchenko. - Text : unmediated // FME Transactions. - 2022. - Vol. 50. - No 3. -Рр. 502-511.
2. Theoretical and experimental studies of the tractive resistance of the sowing complex for the no-till technology / S. D. Shepelev, A. M. Plaksin, I. P. Troyanovskaya [and etc.]. - Text : unmediated // Proceedings of the 8th International Conference on Industrial Engineering. Lecture Notesin Mechanical Engineering. - 2022. - Рр. 341-350.
3. Fedorenko, I. YA. CHislenno-analiticheskoe modelirovanie kolebanij zuba pruzhinnoj borony / I. YA. Fedorenko. - Tekst : neposredstvennyj // Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2018. - № 1 (159). - S. 162-167.
4. Dorodov, P. V. Raschet i obosnovanie racio-nal'nyh parametrov pruzhinnogo pal'ca tyazheloj sternevoj borony / P. V. Dorodov, A. G. Ivanov,
Контактная информация:
Шепелёв Сергей Дмитриевич
проректор по научной и инновационной работе, ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: shepelev2@yandex.ru
Пятаев Максим Вячеславович
доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технология и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: 555maxim@mail.ru
Шалонкина Евгения Владимировна
аспирант кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка, и технология и механизация животноводства», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75 E-mail: vatolinazhenya@gmail.com
A. P. Bodalev. - Tekst : neposredstvennyj // AgroEkoInfo. - 2018. - № 3 (33). - S. 65.
5. Ovchinnikov, A. S. The optimum geometrical form modeling of the «striegel» type harrow / A. S. Ovchinnikov, V. S. Bocharnikov, D. A. Skoro-bogatchenko. - Text : unmediated // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2018.
- Vol. 13. - No 23. - Рр. 9138-9144.
6. Optimization of parameters of a multifunctional unit based on a spring harrow / G. G. Mas-lov, V. P. Lavrentiev, V. V. Tsybulevsky [and etc.].
- Text : unmediated // International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2019.
- Vol. 9. - No 1. - Рр. 1915-1918.
7. Substantiation of process variables and modes of heavy spring-tooth harrow / A. G. Ivanov, A. V. Kostin, R. R. Shakirov [and etc.]. - Text : unmediated // International Journal of Emerging Trends in Engineering Research. - 2020. - Vol. 8. - No 3. - Рр. 695-704.
8. Patent № 2779178 Rossijskaya Federaciya, MPK A01B 19/04 (2006.01), A01B 23/04 (2006.01), A01B 63/26 (2006.01). Borona pruzhinnaya : № 2021134126 : zayavl. 22.11.2021 ; opubl. 05.09. 2022 / SHepelyov S. D., Kravchenko E. N., Telich-kina N. A., Pyataev M. V., SHalonkina E. V.; zaya-vitel' FGBOU VO YUzhno-Ural'skij GAU, Institut agroinzhenerii. - Tekst : neposredstvennyj.
Contact Information:
Shepelev Sergey Dmitrievich
Vice-Rector for Scientific and Innovation Work, South Ural State Agrarian University, 454080, the city of Chelyabinsk, Lenin Avenue, the house 75 E-mail: shepelev2@yandex.ru
Pyataev Maxim Vyacheslavovich
Associate Professor, Department of Operation of the machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry, South Ural State Agrarian University, 454080, the city of Chelyabinsk, Lenin Avenue, the house 75 E-mail: 555maxim@mail.ru
Shalonkina Evgenia Vladimirovna
Postgraduate student, Department of Operation of the machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry, South Ural State Agrarian University, 454080, the city of Chelyabinsk, Lenin Avenue, the house 75 E-mail: vatolinazhenya@gmail.com
