CC BY
49УДК 631.314:612
БИОНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДИСКОВОЙ БОРОНЫ
Соболевский И. В., кандидат технических наук, доцент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Статья раскрывает биосистемный подход к обоснованию теоретических предпосылок конструктивных параметров рабочих органов волнистых дисков бороны, которая позволяет сохранить противоэрозионную устойчивость почвы в верхнем обрабатываемом пласте с целью сбережения его структуры и стерневого фона при безотвальной обработке почвы в системе почвозащитного земледелия технологий «Verti-till» и «Strip-till».
Ключевые слова: обработка почвы, биологический прототип, дисковая борона, жук-навозник, радиус, диаметр диска, шаг зуба, тяговое сопротивление.
BIONIC SUBSTANTIATION OF THE DESIGN OF THE SOIL PROCESSING WORKING BODIES OF THE DISK HARROW
Sobolevsky I. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The article reveals a biosystem approach to substantiating the theoretical assumptions of the working bodies of the corrugated discs of the harrow, which allows to maintain the erosion resistance of the soil in the upper layer to be preserved in order to preserve its structure and stubble background during soilless tillage in the «Verti-till» and «Strip-till».
Keywords: soil cultivation, biological prototype, disk harrow, dung beetle, radius, disk diameter, tooth pitch, traction resistance.
Введение. Вертикальная (Verti-till) и полосная (Strip-till) обработка почвы это новые ресурсосберегающие технологии, которые получили за последний период своё распространение не только в США, но и в Белоруссии, а так же в Республике Крым. Данные технологии дают возможность увеличить урожайность в среднем на 8,2...8,5 ц/га. Однако в условиях засушливого Крыма это является не простой задачей. Особенностью технологий является минимизация в структуре самой почвы слоев обладающих повышенной плотностью в зоне заделки семян. Минимизация слоев повышенной плотности при вертикальной обработке почвы позволит корневой системе вегетативно развиваться не только в разные стороны, но и в вглубь. Это даст возможность растениям быть более засухоустойчивыми за счёт взятия влаги из более низких горизонтов.
73
Вместе с тем данный вариант почвозащитного земледелия является региональным и в почвенно-климатических условиях Республики Крым требует доработки с учетом особенностей норм осадков, особенностей почв, рельефа и структур посевных площадей. Особое значение здесь приобретает потенциальный риск водной и ветровой эрозии. Для этого необходима разработка районированной почвозащитной технологии с адаптированными рабочими органами.
Для данной технологии в полной мере удовлетворяющей предъявляемым агротехническим требованиям применимы специальные турбоколтеры - волнистые диски борон. В сравнении со сферическими дисками, волнистые диски дают возможность предотвращать формирование слоев обладающих повышенной плотностью. Их основное назначение заключается в предпосевной обработке на глубину 6...8 см под посев зерновых культур. Волнистые диски борон часто используются для послеуборочной мульчирующей обработке почвы на глубину 8.10 см, а также борьбы с сорняками [7].
Однако, как показывает анализ существующих конструкции рабочих органов волнистых дисков борон, основные теоретические разработки были направлены на изучение деформации почвы полусферическими дисками. В большинстве работ отсутствует системный подход с решением отдельных частных задач: обоснование параметров дисковых рабочих органов, схема их расстановки, параметры самих батарей и их расположение. Недостаточно изучен вопрос совместного влияния формы вырезов на режущих гранях и формы боковых поверхностей дисков на качество обработки почвы и тяговое сопротивление. Все это не дает возможности в полной мере реализовать потенциальные возможности волнистых дисков борон на конкретном агропочвенном фоне.
Возникает необходимость создания эффективных рабочих органов волнистых дисков борон с принципиально новыми ресурсосберегающими способами воздействия на обрабатываемую среду и отвечающими требованиям прогрессивных технологий.
Решение задач по совершенствованию форм поверхностей рабочих органов волнистых дисков борон предлагается на основе применения механико-бионического подхода, позволяющего аналитически описать их форму и параметры [2].
Цель исследований - разработка теоретических предпосылок к бионическому обоснованию параметров рабочих органов волнистых дисков борон и практическое их подтверждение.
Материал и методы исследований. Впервые исследованиями движения почвы по поверхности сферического диска при переходе от плоского клина занимался В. П. Горячкин [3]. Используя теорию трехгранного клина он обосновал горизонтальную силу тяги при взаимодействии диска с почвой. Боле подробный анализ взаимодействия дисковых рабочих органов проводил Г. Н. Синеоков. Им была рассмотрена кинематика движения, необходимая при проектировании орудий [8].
Более тесную связь бионического профиля дискового рабочего органа с качеством обработки почвы установили Chirende B, Li J Q, Wen L G. Они пришли
74
к выводу, что негладкие поверхности тела жуков землероев помогают снизить стойкость почвы. Спроектировав дисковые рабочие органы по бионическому подобию бионной негладкой поверхности и проведя эксперименты они подтвердили, что дисковые рабочие органы, в сравнении с серийными, обеспечивали меньшее тяговое сопротивление [9]. Такая форма бионического профиля удовлетворяет условиям концентрации усилий в одной точке, что благоприятствует эффективному крошению почвы и её сходу. Однако дальнейшего развития обоснование форм рабочих поверхностей дисковых рабочих органов, кроме эмпирических зависимостей, не получило.
В связи с этим остаётся не решенный вопрос использования методов теоретических исследований с применением закономерностей живой природы. Применив системный подход, с учетом биологической системы «почва-растение-атмосфера», можно обосновать оптимальные геометрические формы рабочих органов волнистых дисков борон [1].
Результаты и обсуждение. Объектом биосистемного подхода к теоретическим исследованиям является технологический процесс взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов волнистых дисков борон с почвой.
Поисковые исследования существующих биологических прототипов живот-ных-землероев показали, что особого внимания заслуживает обоснование параметров рабочих органов волнистых дисков борон по подобию роющих конечностей биологического прототипа жука-навозника обыкновенного (Geotrupes stercorarius) [4] с определением количества зубьев на роющих лапках, их длины, угла подъёма верхней грани зуба - угла атаки а (рис.1, а), угла захвата зуба - угла раствора 2у, угла боковых поверхностей верхней грани зуба 20 (рис.1, б).
аб Рисунок 1. Роющая лапка жука-навозника обыкновенного (Geotrupes stercorarius): а) вид лапки с углом а; б) вид лапки с углами 2у и 2в
Передние роющие лапки жука-навозника имеют строение характерное для насекомых, которые роются в земле. Тазики передних лапок значительно выступают и отличаются поперечным строением. Голени по наружному краю пильча-
75
тые, а на их вершине расположены 2 шпоры. На конце лапок можно заметить простые коготки, а боковая поверхность покрыта черными волосками [4] (рис. 1 б).
При проектировании рабочей поверхности волнистого диска бороны за основу были взяты особенности строения роющей лапки жука-навозника. Основными элементами конструкции являются треугольные радиальные сегменты 1 (рис. 2) жёстко соединённые между собой в виде угловых граней 2. Построение их проекции с учётом толщины металла S и радиуса скругления r представлено на рисунке 2. Через точку Вх перпендикулярно линии АХВХ проводим сечение угловой грани и строим, откладывая толщину S, внутреннюю рабочую поверхность скругляем радиусом r у вершины угла 20.
При определении радиуса скругления груди радиальных сегментов используем средние арифметические значения бионического прототипа - угол захвата зуба - угол раствора 2у=48°, а также угол подъёма верхней грани зуба -угол атаки а = 18°. В результате выражение будет иметь вид:
_ е _ е ■ tg(2//2)
(1)
tg(2y/2) где e - длина отрезка (рис. 2).
/fop ^t— -
гольных радиальных сегментов
76
Результаты расчётов показали, что радиус скругления равен 54 мм, что согласуется с анализом апроксимации зуба роющей лапки жука-навозника в масштабе к радиальным сегментам.
Зная радиус скругления г через формулу (1) выразим половину вершины угла О по формуле:
где ctg2О - угол наклона у вершины одной угловой грани 1 (рис. 2).
В результате, при определении полного угла вершины угловых граней радиальных сегментов ctg2О, формула примет следующий вид:
(3)
Как показывает анализ апроксимации угла боковых поверхностей верхней грани зуба 20 (рис. 1), его среднее значение находится в диапазоне 128°...135° градусов. Расчётное значение, полученное на основании формулы (3) соответствует 130° градусам, что входит среднее значение рациональных диапазонов угла боковых поверхностей верхней грани зуба роющей лапки жука-навозника.
Анализ угла крошения в у апроксимируемой поверхности зуба роющей лапки жука-навозника показал, что его величина находится в диапазоне 19°.. .26° градусов. Поэтому мы взяли среднее значение данного угла при проектировании, равное 22° градусам.
Отрезок D0E0 является длиной l активной рабочей грани поверхности зуба роющей лапки. От точки E0 до точки D0 возникают активные процессы рыхления почвы. Апроксимируя в масштабе проекцию данного отрезка на проекцию проектируемых радиальных сегментов в виде отрезков DlEl получим длину угловой грани определяемой по формуле:
sin Д
/ = V
sin а
(4)
где Ъх - проекция отрезка Е1С1 треугольного радиального сегмента для угла Д. Так как:
То уравнение (3) примет вид:
/ = B-F>
b2F2
sin Д
sin Д
b2f2
(5)
(6)
sin Д sin a sin а Отрезок В~р2 = Ьсм характеризует величину бокового смещения пласта. Он определяется по формуле:
77
где 12 - отрезок ЫЕ являющийся половиной ширины захвата проектируемых радиальных сегментов.
Для определения числа зубьев находящихся на диске бороны используем следующую формулу [1]:
+ (8)
где Ь - длина режущего лезвия; - шаг зуба; а0бр - глубина обработки почвы.
Так как режущее лезвие диска имеет форму окружности, а 5 = 12 то формула (8) будет иметь следующий вид:
где Б - диаметр диска бороны, определяемый по формуле радиуса описанной окружности правильных многоугольников [6]:
(10)
где у - половина угла захвата зуба (рис.1) равная половине угла раствора у = 24° Подставив уравнение (10) в уравнение (9), получим:
(11)
При этом общее число зубьев Z у диска бороны составит 15 штук. Из формулы (11) определим половину ширины захвата проектируемых радиальных сегментов /2:
(12)
Произведя расчёты по формуле (12) при значении максимальной глубины обработки для данного диска абр = 16 см при общем числе зубьев Z = 15 штук приходим к выводу, что среднее значение /2 равно 9 см. Подставив данное числовое значение в формулу (9) для диаметра диска бороны Б определили его значение, которое равно 48 см.
Далее необходимо определить высоту зубьев Нзуба по формуле [1]:
я ■ Р • V
^пба
(13)
78
где Px - тяговое сопротивление диска бороны, при поверхностной обработке почвы;
v - деформационный показатель почвы v - 3,4*107.. .4,0 х10-7 м2/Н. Произведя расчёт высоты зубьев Изуба , приходим к выводу, что при обработке почвы на глубину от 6 до 16 см его высота будет находиться в диапазоне от 5 до 12 мм (рис. 3).
При определении радиуса сегмента окружности Ясегм в точках А2 и В2 высоту зубьев кзуба примем const. Тогда соотношение между градусной мерой углов у и yj выразится формулой:
В результате получим:
(15)
Длину дуги окружности в точках А2 и В2 определим по выражению:
(16)
При значении 12 равным 9 см и фиксированном угле раствора у = 24° по формуле (15) радиус сегмента окружности Ясегм будет равен 10,46 см, а полученное по формуле (16) значение дуги окружности в точках А2 и В2 ЬАВ, соответственно, 9,3 см.
О
Рисунок 3. Поперечное сечение почвообрабатывающего диска бороны
79
Для нашего случая удельное сопротивление выражается следующей зависимостью:
Р Р
(17)
** =
ао6р ' во6р
■ (Км - Ккг, )
обр V' см " скр .где в^р - ширина обработанной полосы диском бороны и определяется как разность между Нсм и Нскр - величина скругления проектируемых радиальных сегментов, которая определяется по формуле [4]:
А =2тг\ г - — | • ——— р 1 2) 180
(18)
Подставляя из уравнений (6) и (13) в уравнение (12) значения Нсм и Нс
получим:
(19)
На основании полученных теоретических предпосылок к бионическому обоснованию параметров рабочих органов волнистых дисков по прототипу роющей лапки жука-навозника обыкновенного (Geotrupes stercorarius) разработана конструкция (рис. 4, а) [5].
а б в
Рисунок 4. Рабочие органы дисковой бороны по бионическому подобию: а) вид спереди; б) вид сбоку; в) натурный образец рабочего органа почвообрабатывающей дисковой бороны в почвенном канале
Почвообрабатывающая дисковая борона содержит попарно соединённые диски 1, собранные в батарею 2 посредством шарниров 3, установленные на S-образных подпружиненных стойках 4. Каждая пара вращающихся дисков 1
80
содержит подвижно соединённые между собой волнистый 5 и игольчатый 6 диски с установленными на иглах 7 под углом 15о...25о по окружности 8 зубчатыми лопатками 9 (рис. 3, б). Лопатки 9 выполнены с тремя вершинами 10 и двумя впадинами 11 в виде зубьев по кривой окружности. Диски 1 соединены со стойками 4 посредством винтового регулирующего механизма 12.
Экспериментальная проверка основных показателей работы почвообрабатывающей дисковой бороны (рис. 4) выполнялась в почвенном канале экспериментальной лаборатории кафедры «Механизация и технический сервис в АПК» АБиП КФУ им. В. И. Вернадского.
Основными не варьируемыми параметрами были: относительная влажность почвы Ж в канале, которая находилась в пределах 13,5.19,3 %; твердость р - 122.127 Н/см2; деформационный показатель почвы V - 3,4^107.4,0 ><10-7 м2/Н. Тип обрабатываемой почвы - чернозем южный карбонатный среднесуглинистый.
Определение силы тягового сопротивления рабочего органа дисковой бороны проводилось методом тензометрирования. При этом фиксировались и измерялись значения Рх за определённый период времени основной работы, в зависимости от глубины обработки почвы аобр и скорости движения рабочего органа дисковой бороны V. Регистрация значений (рис. 5) осуществлялась с помощью ноутбука Lenovo ideapad 310-15 1АР - 1, тензостанции 2ЕТ 017-Т8 - 2, анализатора 2ЕТ017-Ш - 3, тензодатчика TS21-T2 - 4, а так же двух пьезоэлектрических акселерометров ВС 110 - 5.
Рисунок 5. Экспериментальная установка: а) платформа для регистрирующего оборудования б) универсальная рамка, закреплённая на тележке с экспериментальным рабочим органом
На рисунке 6 показаны графические зависимости тягового сопротивления рабочего органа дисковой бороны по бионическому подобию от скорости движения в сравнении с серийным рабочим органом культиватора турбодискового (Экспресс) ТДК-390/28.
81
Рисунок 6. График зависимости тягового сопротивления рабочих органов от скорости движения при глубине обработки 9 см
График показывает также, что кривая зависимости «тяговое сопротивление -скорость движения» близка к прямой, поэтому её можно аппроксимировать линейной функцией. Методом наименьших квадратов определены коэффициенты, в статистических оценках: а = 39, Ь = 1396,7 (для глубины обработки 9 см).
Окончательно эмпирическая зависимость имеет вид:
Р = Ъ9У +1396,7, (20)
где Р - тяговое сопротивление, Н;
V - скорость движения рабочего органа дисковой бороны, см.
При этом достоверность аппроксимации оценивается коэффициентом детерминированности модели = 0,9991 (для скорости движения 0,75.1,1 м/с).
Анализируя данные графической зависимости можно сделать вывод, что на рост величины тягового сопротивления рабочего органа большее влияние оказывает скорость обработки почвы. Тяговое сопротивление рабочего органа меньше на 14%, чем тяговое сопротивление серийного образца. Это объясняется тем, что спроектированная рабочая поверхность волнистого диска бороны по бионическому прототипу снижает тяговое сопротивление рабочего органа при работе.
Выводы. В соответствии с биосистемным подходом, а также на основании усовершенствованной в результате теоретических исследований, функциональной схемы, разработана новая конструкция рабочего органа дисковой бороны (патент на полезную модель РФ № 173 238). На основе анализа особенностей строения бионического прототипа роющей лапки жука-навозника обыкновенного (Geotrupes stercorarius) аналитически обоснованы: радиус скругления груди радиальных сегментов, полный угол вершины угловых граней радиальных сегментов, диаметр диска бороны, число зубьев, их высота, а так же длина окружности между ними на диске бороны. Экспериментальные исследования показали снижение тягового сопротивления пред-
82
ложенного рабочего органа дисковой сопротивлением серийного образца.
Список использованных источников:
1. Бабицький Л. Ф. Бюшчш на-прями розробки грунтообробних машин.- К.:, 1998. - 164 с.
2. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В., Куклин В. А. Обоснование комплекса бионически подобных малоэнергоёмких почвообрабатывающих рабочих органов // Дни науки КФУ им. В. И. Вернадского: Материалы III научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, студентов и молодых ученых, 2017. С. 128-129.
3. Горячкин В. П. Собрание сочинений: в 3-х т. М.: Колос, 1965. Т.1. 720 с.; Т. 2. - 459 с.
4. Жук навозник [Электронный ресурс] URL: https://prusakam.net/zhuk-navoznik/ (дата обращения: 28.11.2018).
5. Почвообрабатывающая дисковая батарея: пат. 173 238 Рос. Федерация. № 2017106492; заявл. 27.02.2017; опубл. 17.08.2017 Бюл. № 23. - 7 с.
6. Радиус описанной окружности правильного многоугольника, формула [Электронный ресурс] //Формулы и расчеты онлайн — Интерактивный справочник формул URL: https://www. fxyz.ru (дата обращения: 10.10.2019).
7. Самосюк В. Вертикальная обработка почвы — максимум свободы для корней / Самосюк В., Лепешкин Н., Мижурин В. [Электронный ресурс] // Ежемесячный научно-практический журнал «Белорусское сельское хозяйство» №8 (136), август 2013. URL: http://agriculture.by/articles/tehnika-i-tehnologii/vertikalnaja-obrabotka-pochvy-
бороны на 14 %, в сравнении тяговым
References:
1. Babitsky L. F. Bionichny straight strains of grounding machines. - K.:, 1998. - 164 p.
2. Babitsky L. F., Moskalewich Y. V., Sobolevsky I. V., Kuklin V. A. Justification of a set of such low-power bionic soil-cultivating working bodies // the Days of science of Crimean Federal University im. V. I. Vernadsky: Proceedings of the III scientific-practical conference of the faculty, postgraduates, students and young scientists, 2017. - P. 128-129.
3. Goryachkin V. P. Collected works: in 3 T. M. : Kolos, 1965. Vol.1. 720 p.; Vol. 2. - 459 p.
4. Dung beetle [Electronic resource] URL: https://prusakam.net/zhuk-navoznik / (accessed: 11.28.2018).
5. Tillage disc battery: Pat. 173, 238 Ros. Federation. № 2017106492; declared 02/27/2017; publ. 08/17/2017 Bull. № 23. - 7 p.
6. The radius of the circumscribed circle of a regular polygon, the formula [Electronic resource] // Formulas and calculations online - Interactive reference book of formulas URL: https://www. fxyz.ru (accessed: 10/10/2019).
7. Samosyuk V. Vertical tillage -maximum freedom for the roots / Samo-syuk V., Lepeshkin N., Mizhurin V. [Electronic resource] // Monthly scientific and practical journal «Belarusian Agriculture» № 8 (136), August 2013. URL: http:// agriculture.by/articles/tehnika-i-tehnolo gii/vertikalnaja-obrabotka-pochvy-mak simum-svobody-dlja-kornej (accessed: 11.28.2018).
83
maksimum-svobody-dlja-komej (дата обращения: 28.11.2018).
8. Синеоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчёт почвообрабатывающих машин. //М., «Машиностроение», 1977. - 328 с.
9. Chirende B, Li J Q, Wen L G, et al. Effects of bionic non-smooth surface on reducing soil resistance to disc ploughing. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 29602965, doi: 10.1007/s11431-010-4128-8.
8. Sineokov G. N., Panov I. M. Theory and calculation of tillage machines. // M., «Mechanical Engineering», 1977. - 328 p.
9. Chirende B, Li J Q, Wen L G, et al. Effects of bionic non-smooth surface on reducing soil resistance to disc ploughing. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 29602965, doi: 10.1007/s11431-010-4128-8.
Сведения об авторе:
Соболевский Иван Витальевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК, Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского», Республика Крым, г. Симферополь, пгт. Аграрное, e-mail: kaf-meh@rambler.ru.
Information about the author:
Sobolevsky Ivan Vitalyevich -Associate Professor, Ph.D., Associate Professor of the Department of Mechanization and Technical Service in the AIC, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
84
