CC BY
6УДК 631.331
Курдюмов В. И., Зыкин Е. С., Шаронов И. А., Ерошкин А. В., Долгов С. А.
Kurdyumov V. I., Zykin Y. S., Sharonov I. A., Eroshkin A. V., Dolgov S. A.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИАМЕТРА ПЛОСКОГО ДИСКА ГРЕБНЕВОЙ СЕЯЛКИ
EXPERIMENTAL JUSTIFICATION DIAMETER FLAT DISC RAISED BED PLANTER
Проанализированные традиционные способы предпосевной подготовки поля и гребневого возделывания пропашных культур позволили заключить, что гребни почвы при посеве формируют различными средствами механизации с активными и пассивными рабочими органами, в частности плоскими дисками. Однако задача качественного формирования гребней почвы плоскими дисками решена недостаточно, поэтому необходимо обосновать оптимальные конструктивные и режимные параметры гребневой сеялки, оснащенной новыми рабочими органами. Разработан способ посева пропашных культур и гребневая сеялка для его осуществления, применение которого позволяет за один проход выполнить предпосевную культивацию, высев семян во влажный слой почвы на уплотненное ложе, сформировать над семенами бугорок почвы требуемых размеров, прика-тывание бугорка почвы с трех сторон и окончательно сформировать гребень почвы требуемых размеров и плотности в нем. Теоретически и экспериментально обоснован оптимальный диаметр плоского диска рабочего органа гребневой сеялки из условий его надежного вращения в почве с минимальным скольжением и сопротивлением качению, а также разрезания комков почвы, сорных растений и сдвига почвы из междурядий на высеянные семена. Выявлено, что оптимальный диаметр плоского диска зависит от глубины хода И рабочего органа, угла его атаки а и физико-механических свойств почвы, а для достижения максимального значения коэффициента соответствия эталону ксэ = 0,92 при формировании бугорка почвы необходимо выбрать плоские диски диаметром 0,35 м, обеспечить скорость движения гребневой сеялки 1,76 м/с (6,34 км/ч) и установить их к направлению движения агрегата под углом а = 22°.
Analysed by traditional ways of pre-training fields and bed cultivation of row crops allowed to conclude that the crests the soil when planting form various means of mechanization with active and passive working bodies and, in particular, flat disks. However, the quality of formation of crests the soil flat disks solved enough, so you must justify the optimal design and operating parameters of the seeder grebneva, equipped with new working bodies. Designed by way of planting row crops and trimming seeder for its implementation, which allows for one pass run presowing cultivation, sowing seeds in moist soil layer on a thick padded bed, form over the seeds soil mound required sizes, packing tubercle soil from three sides and finally form a crest of soil required dimensions and density in it. Theoretically and experimentally proved the optimum diameter of the flat disk of the working body of the conditions of raised bed planter its reliable rotation in the soil with minimal sliding and rolling resistance, as well as cutting the lumps of soil, weeds and soil from shifting between ryady on-sown seeds. Found that the optimal diameter flat disc depends on the depth of stroke working body, the angle of his attack and physico-mechanical properties of the soil, and to achieve maximum compliance coefficient standard kcs = 0,92 in the formation of tubercle of the soil you must select flat disks with a diameter of 0,35 m, to ensure that the speed of movement of the combed seeders 1,76 m/s (6,34 km/h) and set them to the direction of travel of the unit at an angle of a = 22°.
Ключевые слова: технология, сеялка, пропашные культуры, посев, гребень почвы, прикатывание.
Key words: technology, crop, soil, cultivation, compacting,
aisle.
Курдюмов Владимир Иванович -
доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ, заведующий кафедрой агротехнологий, машин и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА» Тел.: 8(8422) 55-95-95 E-mail: vik@ugsha.ru
Зыкин Евгений Сергеевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры агротехнологий, машин и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА» Тел.: 8(8422)55-95-95 E-mail: evg-zykin@yandex.ru
Шаронов Иван Александрович -
кандидат технических наук,
доцент кафедры агротехнологий,
машин и безопасности жизнедеятельности
ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА»
Тел.: 8(8422)55-95-95
E-mail: ivanshar2009@yandex.ru
Ерошкин Александр Владимирович -
студент инженерного факультета
Kurdyumov Vladimir Ivanovich -
doctor of technical sciences, professor, Honoured inventor of Russian Federation, head of the Technology, machinery and safety FSBEI HE «Ulyanovsk SAA» Tel.: 8(8422)55-95-95 E-mail: vik@ugsha.ru.
Zykin Yevgeniy Sergeevich -
candidate of technical sciences, docent of the department of Technology, machinery and safety FSBEI HE «Ulyanovsk SAA» Tel.: 8(8422)55-95-95 E-mail: evg-zykin@yandex.ru
Sharonov Ivan Alexandrovich -
candidate of technical sciences, docent of the department of Technology, machinery and safety FSBEI HE «Ulyanovsk SAA» Tel.: 8(8422)55-95-95 E-mail: ivanshar2009@yandex.ru
Eroshkin Alexandr Vladimirovich -
student of the faculty of engineering
14
|J Ставрополья
научно-практическии журнал
ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА» E-mail: aleksandr.eroshkin@mail.ru
Долгов Сергей Александрович -
студент инженерного факультета ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА» E-mail: dolgowsergei.ru@mail.ru
FSBEI HE «Ulyanovsk SAA» E-mail: aleksandr.eroshkin@mail.ru
Dolgov Sergey Alexandrovich -
student of the faculty of engineering FSBEI HE «Ulyanovsk SAA» E-mail: dolgowsergei.ru@mail.ru
Проанализировав известные способы предпосевной подготовки поля и гребневого возделывания пропашных культур [1, 2], можно заключить, что гребни почвы при посеве формируют различными средствами механизации с активными и пассивными рабочими органами, в частности, плоскими дисками. Однако задача качественного формирования гребней почвы плоскими дисками решена недостаточно, поэтому необходимо обосновать оптимальные конструктивные и режимные параметры гребневой сеялки, оснащенной новыми рабочими органами, включающими плоские диски.
Для реализации гребневого способа посева пропашных культур [3, 4] разработана греб-
невая сеялка [5, 6, 7], одновременно выполняющая предпосевную культивацию, высев семян во влажный слой почвы на уплотненное ложе, формирование над семенами бугорка почвы требуемых размеров, прикатывание бугорка почвы с трех сторон и окончательное формирование гребня почвы требуемых размеров и плотности в нем.
На каждой посевной секции (рис. 1) гребневой сеялки установлены лапа-сошник, два рабочих органа с плоскими дисками и каток-гребнеобразователь.
Рабочие органы устанавливают таким образом, чтобы их плоские диски под острым углом были направлены в сторону движения гребневой сеялки.
Рисунок 1 - Посевная секция гребневой сеялки: 1 - параллелограммный механизм; 2 - грядиль; 3 - опорное колесо; 4 - лапа-сошник; 5, 6 - рабочие органы с правым и левым плоскими дисками; 7 - каток-гребнеобразователь
При движении гребневой сеялки крылья лапы-сошника приподнимают слой почвы толщиной 2...3 см, смещают его в разные стороны, образуя влажное уплотненное ложе, на которое укладывают семена. Следом идущие рабочие органы крыльями стрельчатых лап также приподнимают почву и правым и левым плоскими дисками отбрасывают ее из междурядья в сторону продольной оси симметрии грядиля (на высеянные семена).
Процесс прямолинейного движения и вращение плоского диска радиусом Я, м, в почве на глубине Н, м, должен происходить так, чтобы при встрече с комками плоский диск заще млял их между своей режущей кромкой и почвой и разрезал их. В этом случае угол в контакта с почвой является углом заще мления [8] (рис. 2).
При взаимодействии режущей кромки плоского диска с комком почвы A возникают две нормальные силы: N1 = N tgP, стремящаяся вытолкнуть комок почвы, и N2 = N/cos р - перпендикулярная режущей кромке плоского диска. Результирующая сила N = N + N2 - стремится вытолкнуть комок почвы из раствора режущей кромки и поверхности почвы в направлении положительной части оси Ох.
Между поверхностями комка почвы и почвы возникает сила трения Fx и сила F2 - между режущей кромкой плоского диска и почвой. Результирующая сила трения F = Fx + F2 направлена в сторону, противоположную направлению вращения плоского диска [9, 10].
Рисунок 2 - К определению диаметра плоского диска
Из рис. 2 следует, что:
Р, = N 1вФ1,
F = N tg92,
где
Так как плоский диск рабочего органа установлен с углом атаки а, град., к направлению движения гребневой сеялки, то в продольно-вертикальной плоскости проекция плоского диска представляет эллипс с полуосями R и R cosa.
Каноническое уравнение эллипса
2 2 x y
- + £ = 1 (6) a b
где а = R cosa - малая ось эллипса, м; b = R - большая ось эллипса, м. С учетом параметров плоского диска уравнение (6) запишем следующим образом:
R2 cos2 a
Л=1.
R2
Из уравнения (7) выразим величину y:
VR
y =
R2
1 -
R2 cos2а
2 2 2 cos а - x
cosa
(7)
. (8)
Для определения угла в, образованного силой N в направлении оси Ох и касательной линией к режущей кромке плоского диска необходимо продифференцировать выражение (8) по переменной величинех:
188 = * = ^ 2 ' ''
dx
2 2 2 cos а - x
cosa
x
i2 cos2 a - x2
(9)
(1) (2)
Ф; - угол трения между режущей кромкой плоского диска и комком почвы, град.; Ф2 - угол трения между поверхностями комка почвы и почвой, град.
Защемление комка почвы между режущей кромкой и почвой произойдет при условии
F + f2 cose > n , (3)
или
n tg9j + n2 tg<p2 cos р > N. (4)
Подставив в уравнение (4) значения N и N2, и, учитывая, что р = 90° - e, получим:
tg?j + tg92 > 1. (5)
Если же tg91 + tg92 < 1, то комок почвы будет выталкиваться из раствора между режущей кромкой плоского диска и поверхностью почвы.
Для вращения плоского диска в почве с минимальным скольжением и сопротивлением качению необходимо обосновать его диаметр. Плоский диск с оптимальным диаметром должен обеспечить надежное разрезание комков почвы и сорных растений и сдвиг определенного объема почвы из междурядий на высеянные семена.
cosa л/R2
Для определения x необходимо учесть, что в точке A контакта режущей кромки плоского диска с комком почвы
y = -(R -h). (10)
Тогда, подставив выражение (10) в уравнение (7), получим:
x2 , (-(R - h))2
R2 cos2 a
R2
= 1.
(11)
Выражая из уравнения (11) переменную величину х, получим:
х = ±cosa ^2кЯ -к2. (12)
Подставив выражение (12) в уравнение (9), получим:
tg9 =-
^tcosa yflhR—h2J
cosa
R2 cos2 a - í±cosa
cosa *¡2hR - h2 J
. (13)
Возведем в квадрат обе части уравнения (13) с учетом, что 180 = + 18ф2 и, выполнив соответствующие преобразования, получим квадратичное уравнение:
Я2 (189, +18ф2)2^2а -2НЯ[1 + (189, + 18ф2)2^2а] +
+ Н2[1 + ^9,+ 18ф2)2^2а ]>0. (14)
Выразив [ОёФ, + 18ф2)2^2 а ] через I, а [1 + Оёф, + tgф2)2cos2 а ] через у, и решая уравнение (14) относительно радиуса Я плоского диска, получим:
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
к > И! _ И ^ (! _1) 1 / /
и >
+ И!, (15)
1 1
или
^1,2 >"
И ( ±7! (! _'))
(16)
/
Выполнив обратную замену переменных I и j, определим оптимальный диаметр плоского диска рабочего органа гребневой сеялки из условий его надежного сцепления с почвой и минимального скольжения:
Б >
2И ( + + tgф2 )2^2 а ±
(^ф1+ tgф2)2cos2а
(16)
Угол трения между режущей кромкой плоского диска и комком почвы (или угол трения почвы по стали) для черноземных почв ф1 = 20.. .24°, а угол трения между поверхностями комка почвы и почвой ф2 = 48°. Тогда при глубине хода рабочего органа с плоским диском И = 0,06 м, минимальный диаметр плоского диска при угле его атаки а = 5° составит Б = 0,08.0,26 м, при а = 35° - Б = 0,07.0,32 м.
Геометрические размеры бугорка почвы, формируемого при посеве рабочими органами с плоскими дисками, кроме диаметра Б плоских дисков и угла их атаки а, зависят также от скорости движения V гребневой сеялки.
Исследования проводили в почвенном канале при влажности почвы 19.23 % с плоскими дисками диаметром 0,2; 0,25; 0,3 и 0,35 м. Глубина хода рабочих органов с плоскими дисками составляла 0,06 м, т. к. она задана агротехническими требованиями к предпосевной культивации. В результате поисковых опытов определены диапазоны варьирования основных независимых факторов процесса формирования бугорка почвы: скорость движения секции сеялки с рабочими органами изменяли от 1,2 до 2,4 м/с с интервалом 0,4 м/с; угол атаки плоских дисков к направлению движения агрегата - от 5° до 30° с интервалом 5°.
При смещении почвы из междурядий на высеянные семена плоские диски должны обеспечить требуемые размеры бугорка почвы для его последующего качественного уплотнения. Поэтому в качестве критерия оптимизации нами принят коэффициент соответствия эталону ксэ, позволяющий охарактеризовать качество формируемого бугорка почвы с позиции соответствия его профилю, установленному агротехническими требованиями.
Коэффициент соответствия эталону можно выразить следующей зависимостью:
К, = 1
сэ
где
После реализации опытов и обработки их результатов с помощью программы для ПЭВМ <^а^1оа» были получены математические модели процесса формирования бугорка почвы в натуральных значениях факторов.
Уравнение поверхности отклика от взаимодействия скорости движения V агрегата и угла атаки а плоских дисков диаметром 0,2; 0,25; 0,3 и 0,35 м имеет следующий вид (уравнения 18, 19, 20 и 21 соответственно):
ксэ = 0,0994 + 0,1358 V + 0,0527 а - 0,0558 V2 -
- 0,0002 V а - 0,0011 а2, (18)
ксэ = - 0,655 + 1,2591 V + 0,0568 а - 0,2724 V2 -
- 0,021 V а - 0,0006 а2, (19)
ксэ = - 0,7615 + 1,4606 V + 0,041 а - 0,34 V2 -
- 0,0146 V а - 0,0005 а2, (20)
ксэ = 0,1922 + 0,5632 V + 0,0212 а - 0,1635 V2 + + 0,0005 V а - 0,0005 а2, (21)
где ксэ - коэффициент соответствия эталону; V - скорость движения агрегата, м/с; а - угол атаки каждого плоского диска, град.
Дифференцированием уравнений (18-21) определили координаты экстремума, при которых достигается максимальное значение параметра оптимизации:
V = 1,2 м/с и а = 24 град.,
ксэ = 0,81.
V = 1,5 м/с и а = 21 град., ксэ = 0,89.
V = 1,85 м/с и а = 14 град., ксэ = 0,87.
V = 1,76 м/с и а = 22 град., ксэ = 0,92.
Из представленных расчетов следует, что максимальное значение коэффициента соответствия эталону ксэ = 0,92 достигается при скорости движения агрегата 1,76 м/с и углах атаки а = 22 град. плоских дисков диаметром 0,35 м.
Поверхность отклика, соответствующая уравнению (21), представлена на рис. 3.
из уравнения (2): из уравнения (3): из уравнения (4): из уравнения (5):
(17)
^эт - площадь поперечного сечения эталонного бугорка почвы, размеры которого заданы агротехническими требованиями к посеву, м2; - площадь поперечного сечения бугорка почвы, образовавшегося после прохода рабочих органов, м2.
Рисунок 3 - Поверхность отклика от взаимодействия скорости движения агрегата и угла атаки плоских дисков
Проанализировав уравнения 18-21, можно заключить, что для достижения максимального значения коэффициента соответствия эталону ксэ = 0,92 при формировании бугорка почвы необходимо выбрать плоские диски диаметром 0,35 м, обеспечить скорость агрегата 1,76 м/с (6,34 км/ч), соответствующей агротехническим требованиям к посеву пропашных культур
(6.8 км/ч), и установить их к направлению движения агрегата под углом а = 22 град.
Таким образом, оптимальный диаметр плоского диска гребневой сеялки зависит от заданной агротехническими требованиями глубине хода к рабочего органа, угла атаки а плоского диска, физико-механических свойств почвы и скорости V движения гребневой сеялки.
Литература
1. Чаткин М. Н. Повышение эффективности функционирования комбинированных почвообрабатывающих машин с ротационными активными рабочими органами : дис. ... д-ра техн. наук. 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства. Саранск, 2007. 450 с.
2. Рембалович Г. К. Повышение эффективности уборки картофеля на тяжелых суглинистых почвах совершенствованием сепарирующих органов комбайнов; монография. Рязань : Рязанский государственный агротехнологический университет им. П. А. Костычева, 2014. 301 с.
3. Пат. 2443094 Российская Федерация, МПК А01В79/02, А0Ю1/00. Способ возделывания пропашных культур / В. И. Курдю-мов, Е. С. Зыкин ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». № 2010141211/13 ; заявл. 07.10.2010 ; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6.
4. Пат. 2265305 Российская Федерация, МПК А01С7/00. Способ посева пропашных культур / В. И. Курдюмов, Е. С. Зыкин ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». № 2004109411/12 ; заявл. 29.03.2004 ; опубл. 10.12.2005, Бюл. № 34.
5. Пат. 2435353 Российская Федерация, МПК А01С7/00, А01В49/06. Гребневая сеялка / В. И. Курдюмов, Е. С. Зыкин ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». № 2010129256/13 ; заявл. 14.07.2010 ; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
6. Пат. 2435352 Российская Федерация, МПК А01С7/00, А01В49/06. Гребневая сеялка / В. И. Курдюмов, Е. С. Зыкин ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». № 2010129255/13 ; заявл. 14.07.2010 ; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
7. Пат. 108902 Российская Федерация, МПК А01В49/04. Секция сеялки-культиватора / В. И. Курдюмов, Е. С. Зыкин, И. А. Шаронов ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». № 2011100230/13 ; заявл. 11.01.2011; опубл. 10.10.2011, Бюл. № 28.
8. Кленин Н. И., Сакун В. А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М. : Колос, 1994. 751 с.
Reference
1. Chatkin M. N. The effective functioning of the combined rotary tillage machines with active working bodies. 05.20.01 - Technology and means of mechanization of agriculture; dis. ... doctor. tech. sciences / M. N. Chatkin. -Saransk, 2007. - 450 p.
2. Rymbalovich G. K. Improving the efficiency of potato harvesting on heavy loam soils to improve the separation of the bodies of the harvesters; monograph / G. K. Rymbalovich. -Ryazan, Ryazan state agrotechnological University n. a. P.A. Kostychev, 2014. -301 p.
3. Pat. 2443094 Russian Federation A01V79 IPC / 02 A01G1 / 00. The method of cultivation of row crops / V. I. Kurdyumov, E. S. Zykin; applicant and patentee FSEIHPE «Ulyanovsk State Agricultural Academy.» -№ 2010141211/13; appl. 07.10.2010; publ. 27.02.2012, Bull. № 6.
4. Pat. 2265305 Russian Federation A01S7 IPC / 00. A method of planting row crops / V. I. Kurdyumov, E. S. Zykin; applicant and patentee FSEIHPE «Ulyanovsk State Agricultural Academy.» - № 2004109411/12; appl. 29.03.2004; publ. 10.12.2005, Bull. № 34.
5. Pat. 2435353 Russian Federation A01S7 IPC / 00 A01V49 / 06. Raised bed planter / V. I. Kurdyumov, E. S. Zykin; applicant and patentee FSEIHPE «Ulyanovsk State Agricultural Academy.» - № 2010129256/13; appl. 14.07.2010; publ. 10.12.2011, Bull. № 34.
6. Pat. 2435352 Russian Federation A01S7 IPC / 00 A01V49 / 06. Raised bed planter / V. I. Kurdyumov, E. S. Zykin; applicant and patentee FSEIHPE «Ulyanovsk State Agricultural Academy.» - № 2010129255/13; appl. 14.07.2010; publ. 10.12.2011, Bull. № 34.
7. Pat. 108902 Russian Federation, IPC A01V49 / 04. Section seeder-cultivator / V. I. Kurdyumov, E. S. Zykin, I. A. Sharonov; applicant and patentee FSEIHPE «Ulyanovsk State Agricultural Academy.» - № 2011100230/13; appl. 11.01.2011; publ. 10.10.2011, Bull. № 28.
8. Klenin, N. I. Agricultural and reclamation machines / N. I. Klenin, V. A. Sakun. - M. : Kolos, 1994. - 751 p.
9. Asoyan A. M. On the theory of optimization of parameters of spherical disks tillage machines / A. M. Asojan, P. A. Tonapetyan, A. A. Arakely-an // Bulletin of State agrarian University of Armenia. - 2006. - № 2. - P. 56-58.
18
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
9. Есоян А. М., Тонапетян П. А., Аракелян А. А. К теории оптимизации параметров сферических дисков почвообрабатывающих машин // Известия Государственного аграрного университета Армении. 2006. № 2. С. 56-58.
10. Канаев А. И. Управление системой «рабочие органы - почва» при обработке зяби с целью накопления почвенной влаги в условиях Заволжья : монография. Самара, 2001. 274 с.
10. Kanaev, A. I. the system is «working bodies -the soil» while on the job in the autumn with the aim of accumulating soil moisture in conditions of TRANS-Volga region : the monogra-phy / A. I. Kanaev. - Samara, 2001. - 274 p.
