CC BY
14УДК 331.4 (629.113)
БИОСИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОПТИМАЛЬНЫХ
ПАРАМЕТРОВ КОЛЬЧАТОГО ЗУБЧАТО-ШПОРОВОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО КАТКА
Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор; Исмаилов Я. Н., аспирант; Исмаилов Р. Н., магистрант; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
В статье рассмотрены научные основы для определения оптимальных параметров кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка с использованием принципов и методов бионики. По аналогии с роющими конечностями жука-носорога и медведки, установленные на ободе почвообрабатывающего катка рабочие элементы должны иметь зубчатую форму режущего лезвия пластин, а отдельно расположенные зубья должны быть выполнены по прототипу формы зубьев роющей конечности медведки в виде отрезка логарифмической спирали с учётом угла внутреннего трения почвы. Такая форма катка позволит обеспечить вътол-нение агротехнических требований, повышение степени измельчения комков почвы и производительности, а также проти-воэрозионную устойчивость почвы, что будет способствовать повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: кольчатый зубча-то-шпоровый почвообрабатывающий каток, биосистемный подход, оптимальные параметры, роющие конечности жука-носорога, медведки.
BIO-SYSTEM APPROACH TO DETERMINING THE OPTIMAL PARAMETERS OF THE COLORED GEAR-SPEED SOIL PROCESSING ROLLER
Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;
Ismailov Y. N., postgraduate student; Ismailov R. N., undergraduate; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The article discusses the scientific basis for determining the optimal parameters of the ring gear-spur tillage roller using the principles and methods of bionics. By analogy with the burrowing limbs of a rhinoceros beetle and a bear, the working elements mounted on the rim of the tillage rink should have a notched shape of the cutting blade of the plates, and separately located teeth should be made according to the prototype of the teeth of the burrowing limb of the bear in the form of a segment of a logarithmic spiral taking into account the angle of internal friction the soil. This form of the skating rink will ensure the fulfillment of agrotechnical requirements, increase the degree of grinding of lumps of soil and productivity, as well as anti-erosion resistance of the soil, which will increase crop yields.
Key words: annular gear-spur soil-cultivating rink, biosystem approach, optimal parameters, digging limbs of a rhinoceros beetle, bears.
91
Введение. В современных условиях земледелия Республики Крым особое внимание уделяется применению рациональных ресурсосберегающих технологий обработки почвы. В общей системе адаптивных технологий прикаты-вание почвы почвообрабатывающими катками предусматривает выполнение операций, направленных на изменение физико-механических свойств почвы с целью создания благоприятных условий для развития растений и сохранения влаги в почве, особенно где повышена ветровая эрозия. С их помощью выравнивается поверхность поля, происходит разрушение глыб, уплотняется почва. При проведении прикатывания почвы обеспечивается улучшение контакта семян с почвой. Анализ исследований по обоснованию рациональных параметров почвообрабатывающих катков представлен в научных трудах Г. Н. Си-неокова, И. М. Панова, М. Н. Летошнева, Н. Г. Дубровина, Г. Г. Маслова [1,2]. При прикатывании почв, подверженных ветровой эрозии, необходимо создать противоэрозионную устойчивость в верхнем обрабатываемом слое с основной целью сохранения его структуры и стерневого фона. В засушливых районах Республики Крым прикатывание обеспечивает снижение потери влаги за счёт конвекционно-диффузного испарения. Однако существующие конструкции почвообрабатывающих катков не в достаточной мере могут обеспечить качественные показатели прикатывания, целью которых являются повышение и сохранение влаги в почве перед посевом [3].
Цель и задачи исследований: Повышение качества и снижение энергозатрат процесса поверхностной противоэрозионной обработки почвы в Республике Крым, путём определения оптимальных параметров кольчатого зубчато-шпоро-вого почвообрабатывающего катка на основе биосистемного подхода. В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
- разработать теоретические предпосылки для определения оптимальных параметров кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка на основе биосистемного подхода;
- определить оптимальные параметры кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка, удовлетворяющие агротехническим требованиям к прикатыванию почвы.
Материал и методы исследований. Объектом исследований является технологический процесс адаптивной технологии обработки почвы и рабочие органы кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка, которые разработаны по бионическому подобию. Поставленные задачи решались методами бионического моделирования на основе биосистемного подхода. Лабораторные исследования проводились методом сравнительных опытов на специально подготовленной установке почвенного канала с планированием многофакторного эксперимента.
Результаты и обсуждение. В соответствии с рациональными ресурсосберегающими технологиями возделывания сельскохозяйственных культур необходимо в новых технологических решениях, основанных на биосистем-
92
ном подходе, применять почвообрабатывающие рабочие органы, способные обеспечить требуемую противоэрозионную структуру почвы за один проход. С целью улучшения качества обработки почвы для данных технологий рассматриваются новые рабочие органы кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка, выполненные по бионическому подобию. Биологическими прототипами для данных рабочих органов выбраны роющие конечности и динамика движения медведки (СгуИо^ра) и жука-носорога [3,4]. Как показывает анализ процесса рыхления почвы передними конечностями медведки, лапка, за счет массивного бедра, выполняет одновременно два движения: возвратно-поступательное и криволинейное. Такой физический процесс позволил адаптировать два основных движения и элементы морфологического строения роющих конечностей медведки в обосновании оптимальных параметров рабочих органов конструкции кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка для поверхностной обработки почвы.
Анализ параметров ножа кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка указывает на необходимость совершенствования формы его режущих и крошащих кромок. Форма кромок должна обеспечивать наименьший расход энергии на резание почвы и пожнивных остатков, минимальную неравномерность нагрузки и заделку растительных и пожнивных остатков всей рабочей длиной режущей кромкой, находящейся в почве.
Из всех криволинейных форм для ножей наиболее предпочтительна форма логарифмической кривой с положительной выпуклостью кривизны вовнутрь впадин. С производственной точки зрения она несколько сложнее прямолинейной, но значительно проще других криволинейных форм.
Нормальному давлению Рп режущей кромки сопутствует сила трения f • Рп. Равнодействующая этих сил равна Рn/cosф. Если г - радиус-вектор, 1 - плечо силы Рn/cosф, то момент сил:
(1)
М =
С05 (р
где ф - угол трения; т - текущий угол г - радиус вектор.
Если считать Рп = р • ds и ф постоянными, где р - давление на единицу длины и элемент режущей кромки, то можно задаться формой кромки из условия постоянства момента М = со^^ т. е.:
Форма режущей кромки: Следовательно
±7?
tgт = tg[(т-ф)+ф] =
(4)
93
Данному условию отвечает форма режущей кромки, выполненная по логарифмической кривой, обеспечивающая равномерное распределение усилий на рабочий орган. Согласно основному принципу бионики о целесообразности системы работа роющих конечностей насекомых и животных должна осуществляться с минимальными затратами усилий. Зубья на режущем лезвии увеличивают сосредоточенную нагрузку на единицу длины режущей кромки, по сравнению с нагрузкой на сплошную кромку, и создают смыкающиеся зоны деформаций.
Функционирование рыхлящего рабочего органа включает резание и крошение почвы, потому его рабочая поверхность должна иметь формы элементов, которые выполняют эти обе функции.
В общем случае, по аналогии с роющими конечностями медведки и жука-носорога, рабочий орган должен иметь зубчатую форму режущего лезвия (рис. 1).
Рисунок 1. Зубчатая форма режущего лезвия рабочего органа катка с очертаниями зубьев и впадин по аналогии с роющей конечностью жука-носорога
Давление зубчатого режущего лезвия на почву определяется по формуле:
1—2 К
Р = тг ■ Р,
КР
г-(1-2К>
где РКР - критическое давление на почву, Н, L - длина режущего лезвия, м,
Ъ - число зубьев на рабочем органе, шт. Оно определяется по формуле:
Ъ =-1-, штук
(5)
(6)
где h - глубина обработки почвы, м.
К = а^ - коэффициент размещения зубьев (отношение полуширины зуба к шагу), который определяем по уравнению:
К =
(7)
94
На основании анализа уравнения (7) и с учетом результатов бионических исследований оптимальной величиной коэффициента размещения для зубчатых рабочих органов можно считать 0,22-0,24 [6]. Угол заострения зуба должен обеспечивать при обработке почвы минимальную затрату энергии.
Полуширина зуба [6]:
а = 0.18 ■ Н, (8)
где Н - глубина обработки почвы.
Определим глубину впадин, зная Ь - длину наружной режущей кромки, приходящейся на один зуб, которая равна 40 мм:
Ь = Ь ■ (9)
Глубина впадин будет равняться 25 мм.
На основании определения углов деформации установлен угол наклона режущей кромки предлагаемого рабочего органа, который составил 50°.
Зубья на ободе катка выполнены по прототипу формы зубьев роющей конечности медведки по отрезку логарифмической спирали (рис. 2) вида [6]:
где г0 - начальный радиус-вектор;
е - основание натуральных логарифмов;
9 - полярный угол;
Ф - угол внутреннего трения почвы.
Рисунок 2. Расположение зубьев на ободе катка по прототипу зубьев логарифмической формы роющей конечности медведки
Использование принципов бионики позволило определить количество зубьев на режущей кромке, которые увеличивают сосредоточенную нагрузку на единицу длины режущей кромки.
Для длины лезвия, которая равна 120 мм, число зубьев должно составлять три, так как при меньшем числе зубьев прочность снижается в связи с уменьшением поперечного сечения. Длина наружной режущей кромки, приходящейся на один зуб и на один вырез, одинаковы и составляют 1/18 часть длины лезвия. Для плавного перехода выреза в следующий зуб предусмотрено скругление внутренних углов радиусом 0,0275 м для предотвращения механических повреждений за счет более равномерного распределения напряжений на них. Использование данного рабочего органа позволяет снизить тяговое сопротивление, улучшить качество крошения почвы.
Зубчатые пластины и рыхлящие зубья крепятся на ободе катка (рис. 3).
Рисунок 3. Установка зубьев и зубчатых пластин по бионическому подобию на кольчатом зубчато-шпоровом диске катка
Для равномерного распределения контактного давления зубчатого ножа на почву используется интегральное уравнение следующего вида:
При P(t) = const получим решение [6] в виде:
(11)
п 2Р
где Руд =
Л - коэффициент трения рыхлительного элемента катка о почву; О - модуль сдвига почвы; V - деформационный показатель почвы [7].
Анализируя диаметр D или радиус R ротационного диска, на котором устанавливаются рыхлительные элементы можно определить длину диска по формуле:
1 = 7гО , или (12)
I = 2тгй (13)
Анализируя длину ротационного диска L, и задавшись количеством рых-лительных элементов п, определяется шаг расстановки S по формуле:
5 = 1/п (14)
Таким образом, определяются основные оптимальные параметры кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатываюшего катка.
Выводы. В системе адаптивных технологий обработки почвы применение биосистемного подхода позволило определить оптимальные параметры кольчатого зубчато-шпорового почвообрабатывающего катка. По аналогии с роющими конечностями медведки и жука-носорога рабочие элементы почвообрабатывающего катка должны иметь зубчатую форму режущего лезвия пластин, установленных на ободе катка. Получены аналитические зависимости по определению полуширины зубьев, их минимальному количеству и глубине впадин при оптимальном коэффициенте размещения зубьев равном 0,22-0,24. Отдельно расположенные зубья на ободе катка должны быть выполнены по прототипу формы зубьев роющей конечности медведки в виде отрезка логарифмической спирали с учётом угла внутреннего трения почвы. Для равномерного распре -деления контактного давления каждого зубчатого лезвия на почву получено уравнение расположения вершин зубьев в виде логарифмической кривой с учётом коэффициента трения роющего элемента катка о почву, модуля сдвига и деформационного показателя почвы.
Список использованных источников:
1. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В., Исмаилов Я. Н. Обоснование параметров почвообрабатывающего тандем-ного катка по бионическому подобию // Сборник трудов III научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, студентов и молодых учёных «Дни науки КФУ им. В. И. Вернадского». Сельскохозяйственные науки. - Симферополь, 2017 г. - С. 113-116.
2. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Основы бионических исследований: учебник // Симферополь: ПП «Антиква», 2014. - 328 с.
3. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Бионическое обоснование путей совершенствования сельскохозяйственных машин на основе коэффициента адаптационной наработки // Науковi
References:
1. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V., Ismailov Y. N. Justification of parameters of a soil-cultivating tandem skating rink in bionic similarity // Proceedings of the III scientific-practical conference of the faculty, graduate students, students and young scientists «Days of science KFU V. I. Vernadsky». Agricultural sciences. - Simferopol, 2017 - P. 113-116.
2. Babitsky L. F., Moskalewicz Y. V., Sobolevsky I. V. fundamentals of bionic research: textbook // Simferopol: PE «Antiqua», 2014. - 328 p.
3. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. Bionic substantiation of ways of improvement of agricultural machines on the basis of the coefficient adaptation practices // Scientific works of the Southern branch of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine
97
пращ Ивденного фшалу Нащонально-го унiверситету бюресурав i природоко-ристування Украши «Кримський агро-технологiчний утверситет». - Техшчш науки. Випуск 162. - Омферополь: ВД «АР1АЛ», 2014. - С. 197-205.
4. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В., Куклин В. А., Исмаилов Я. Н. Теоретические предпосылки к бионическому обоснованию параметров рабочих органов кольчато-режущего почвообрабатывающего катка // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - Киров: ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока, 2018. - № 6 (67). - С. 121-127.
5. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Разработка комплекса почвообрабатывающих рабочих органов на основе бионики для экологического земледелия // Международный форум «Крым Hi-Tech - 2014». Сборник тезисов докладов. - М.: Министерство образования и науки Российской Федерации, 2014. - С.106-108.
6. Бабицький Л. Ф. Бюшчш на-прями розробки грунтообробних машин // Навчальний пошбник. - Кшв: Урожай, 1998. - 164 с.
7. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Бионико-механичес-кие основы сельскохозяйственных машин. Теория и методы // Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. - 384 с.
Сведения об авторах:
Бабицкий Леонид Фёдорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени
№ 20 (183), 2019
«Crimean Agro-Technological University». - Technical science. Issue 162. -Simferopol: Publishing House «ARIAL», 2014. - P. 197-205.
4. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V., Kuklin V. A., Ismailov Y. N. Theoretical background to the bionic substantiation of the parameters of the working bodies of a ring-cutting soil-cultivating rink // Agricultural Science of the Euro-NorthEast. - Kirov: Federal State Budgetary Institution of Economics of the NorthEast, 2018. - № 6 (67). - P. 121-127.
5. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. Development of soil-cultivating working bodies on the basis of bionics for organic agriculture // international forum «Crimea Hi-Tech - 2014». The book of abstracts. -M.: Ministry of education and science of the Russian Federation, 2014. - P. 106-108.
6. Babitsky L.F. Bionic directions of development of soil tillage machines // Tutorial. - Kiev: Harvest, 1998. - 164 p.
7. Babitsky L. F., Moskalewicz Y. V., Sobolevsky I. V. Bionico-mechanical basis of agricultural machines. Theory and methods // Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. - 384 p.
Information about the authors:
Babitsky Leonid Fedorovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean
98
В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@ rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Исмаилов Якуб Ниязиевич - аспирант кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: yakub.ismailov.95@ mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Исмаилов Рамазан Ниязиевич -магистрант кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: ramazanismailov-1998@ mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: kaf-meh @rambler.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Ismailov Yakub Niyazievich - postgraduate student of the Department of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: yakub.ismailov.95@mail.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Ismailov Ramazan Niyazievich - undergraduate of the Department of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: ramaza nismailov-1998@mail.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
99
