CC BY
42
УДК 631.33.024.3:631.631.82:633.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСКОВЫХ СОШНИКОВ ДЛЯ СОВМЕЩЕННОГО ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ С ПОСЕВОМ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
В. Р. ПЕТРОВЕЦ, Н. И. ДУДКО, В. В. ГУТАРЕВ
УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия», г. Горки, Могилевская область, Беларусь, 213407, e-mail: [email protected] (Поступила в редакцию 15.04.2016)
Государственной программой устойчивого развития села на 2011-2015 предусмотрено реализация ресурсосберегающих технологических процессов в земледелии и получение урожайности зерновых культур до 43 ц/га. Одним из условий для достижения цели является усовершенствование рабочих органов посевных комбинированных агрегатов. Мировой опыт создания комбинированных машин для внутрипочвенного внесения основной дозы минеральных удобрений и посева зерновых культур предлагает использовать отдельные рабочие органы для осуществления каждой операции. Так, например, комбинированные сеялки известных фирм «ЮКО», «ХАНКМО», «ВЯРТСИЛЯ», «ВАЛГА-ЮКО» и др. прошли испытания на многих машиноиспытательных станциях стран СНГ. По такой же схеме была разработана и серийно выпускалась ПО «Красная Звезда» г. Кировоград (УР) комбинированная сеялка СЗК-3.6. Однако наличие отдельных рабочих органов для внесения минеральных удобрений и посева зерновых культур усложняла, увеличивала массу, габариты, не позволяла строго выдержать агротехнические требования распределения минеральных удобрений относительно рядков семян. Известны также комбинированные сошники, совмещающие эти операции в одном рабочем органе, как, например, выполненные в виде симметрично изготовленного трехдискового, полозовидного трехстрочного, анкерно-и дисково-килевидных рабочих органов с расположением туко- и семяпроводов в одной или разных плоскостях. Каждый из вышеперечисленных рабочих органов имеет свои преимущества и недостатки. Приведены данные исследований экспериментального двухдискового сошника с разновеликими дисками для внесения минеральных удобрений при посеве зерновых культур. Основное внимание уделено уравновешиванию боковых реакций, несимметричных рабочих органов данного сошника, определению важнейших конструктивных параметров в зависимости от скорости и глубины хода, так как от всех этих показателей зависит не только производительность посевных машин и сокращение сроков посевов, но и урожайность возделываемых культур.
Ключевые слова: дисковые сошники, минеральные удобрения, зерновые культуры, конструктивные параметры.
The state program of sustainable development of rural areas for 2011-2015 provides for the implementation of resource-saving technological processes in agriculture and getting grain yields of up to 4.3 t / ha. One of the conditions to achieve the goal is to improve the working organs of sowing combined units. International experience of creation of combined machines for intra-soil application of the main dose of mineral fertilizers and sowing of cereals proposes to use separate working organs for the implementation of each operation. For example, combined drills offamous firms such as "SKO", "HANKMO", "Wartsila", "Valga-SKO" and others have been tested on many testing ranges of the CIS countries. The same design was used for the development and commercial production of combined drill SZK-3.6 at "Red Star" plant in Kirovograd. However, the presence of separate working organs for the application of mineral fertilizers and sowing cereals made the design more complicated, increased weight, dimensions, did not allow strictly sustain agro-technical requirements to the distribution of mineral fertilizers in relation to rows of seeds. There are also combined openers, combining these operations in a single working organ, as, for example, made in the form of a symmetrical three-disc runner-type three-line, anchor- and disc-keeled working organs with the location of fertilizer- and seed hoses in the same or different planes. Each of these working organs has its own advantages and disadvantages. We have presented data of research into experimental two-disc ploughshare with discs of different size for the application of mineral fertilizers during the sowing of cereals. The emphasis is on balancing side reactions, non-symmetrical working organs of the opener, the definition of the most important design parameters depending on the speed and depth of movement, as all these indicators influence not only the performance of sowing machines and reduction of sowing terms, but also the yield of cultivated crops.
Keywords: disc ploughshares, mineral fertilizers, cereals, design parameters.
Введение
В настоящее время наиболее перспективными являются различные виды дисковых сошников, которые хорошо работают на разных типах почв, в том числе засоренных растительными и пожнивными остатками [2].
Исследованиями многих ученых установлено, что улучшение условий прорастания семян, роста и развития растений в начальный период вегитации может быть обеспечено за счет повышения равномерности хода сошников по глубине, что обеспечивает высокую вероятность заделки семян и удобрений на нужную глубину в почвенные горизонты, содержащие достаточное количество влаги и питательных веществ [3-5], также уплотнение почвы в посевных слоях и достижение притока влаги из нижележащих слоев [6-7]. Наиболее перспективными являются одно- и двухдисковые сошники. К их недостаткам относятся: высокая неравномерность распределения семян по глубине, захват семян вращающими дисками с выбросом их за пределы бороздки и в верхнем слое почвы, неравномерное осыпание бороздки, в связи с чем семена заделываются на различную глубину. В конструкциях сошников не предусмотрено одновременно с посевом внутрипочвенное внесение минеральных удобрений. Существующие конструкции дисковых сошников имеют большие металлоемкость и удельное сопротивление [2]. Следовательно, разработки новых дисковых сошников, теоретическое и экспериментальное обоснование их рациональных параметров с целью равномерной укладки семян на дно бороздки с последующей их заделкой, предусмотрев одновременное внутрипочвенное внесение стартовой дозы минеральных удобре6ний, уменьшение металлоемкости сошников и их тягового сопротивления, а также повышение урожайности зерновых культур, является весьма актуальной задачей.
Основная часть
Теоретические исследования по определению конструктивно-технологических параметров предлагаемого макетного образца комбинированного сошника проводились на основании исследований
академика В. П. Горячкина и полученной им зависимости между реакцией почвы на элементы обода катка и деформацией почвы [8], а также уравнения равновесия однодискового сошника с опорно-прикатывающим катком [9]. Нами предложена схема комбинированного сошника, у которого рабочие органы, выполняющие за один проход две и более операций, состоят из нескольких элементов, имеющих различные технологические и конструктивные параметры. В предлагаемом комбинированном сошнике такими элементами являются два диска различной толщины и диаметра [10-12] Основными критериями предлагаемого комбинированного сошника являются агротехнические требования ориентированного размещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях ленты минеральных удобрений относительно рядков семян, согласно разработанному и исследованному способу внутри-почвенного размещения двух разных материалов (рис. 1).
минеральных удобрений относительно рядков семян: Ир и 1з.с - глубины заделки минеральных удобрений и семян зерновых культур;
Уп и Гп - вертикальная и горизонтальная прослойки почвы между рядками семян и лентами удобрений
Для двухдисковых симметричных рабочих органов построение аналитического выражения для силы тяги на их перемещение и реакции почвы обычно проводят на основе теории академика В. П. Го-рячкина. Для однооперационных симметричных рабочих органов реакция почвы анализируется отдельно по конической и боковой частям поверхности, причем каждая в соответствии с теорией В. П. Горячкина представляет собой сумму статических и динамических сопротивлений. При исследовании комбинированных несимметричных рабочих органов (двухдисковых с разновеликими дисками, однодисковых с спорно-прикатывающими катками) возникает проблема уравновешивания боковых реакций. Рассмотрим схему двухдискового сошника с разновеликими дисками для внутрипоч-венного внесения основной дозы минеральных удобрений (большой плоский диск) к посева зерновых культур (меньший утолщенный диск. Для параметров комбинированного рабочего органа к условиям его работы приняты следующие обозначения (рис. 2).
1
Рис. 2. Схема комбинированного сошника для совмещенного внесения минеральных удобрений и посева зерновых культур: К-1,2 - радиусы дисков комбинированного сошника, м; 112 - толщины дисков сошника, м; а12 - углы атаки дисков сошника, м; V - скорость движения сошника, м/с; р - плотность почвы, кг/м3; к - коэффициент объемного смятия, н/м3; Ф - угол трения, град; ф12 - углы заточки дисков сошника, град.; Н12 - глубина хода разновеликих дисков, м; 1 - корпус сошника; 2 - плоский диск большого диаметра;
3 - утолщенный диск меньшего диаметра
При расчете реакции Я и ее проекций Ях, Яу, Я2 - оси координат выбраны следующим образом: ось ОХ -горизонтально, по направлению движения; ось ОУ - вертикально вверх; ось 02 - горизонтально, поперек движения. Очевидно , что
Я=Р(Яи; 11,2; аи; ни; V; р; к; ф; фи).
Известные формулы для определения Ях, Яу, Я2 достаточно громоздки, в связи с чем был проведен их числовой и графический анализ для следующих диапазонов значений переменных:
0,04<Н1<0,10м; 0,01Я12 <0,2м; 0<а12 <0,20° 0,01<Н2<0,04м; р=0,9...1,0;103; =40..'.50°; у =30°.
Затем были просчитаны величины статических к динамических составляющих реакций по конической и боковой поверхностям диска для серии значений переменных из указанных диапазонов и процентные отношения этих составляющих к их суммарным значениям Ях(8иш); Яу(8иш); Я2(8иш) для однодискового сошника. Были вычислены максимальные значения процентных отношений, которые приведены в таблице.
Rx, % Ry, % Rz, %
V, м/с стат. кон. дин. кон. стат. бок. дин. кон. стат. кон. дин. кон. стат. бок. дин. бок. стат. кон. дин. кон. стат. бок. дин. бок.
пов. пов. пов. пов. пов. пов. пов. пов. пов. пов. пов. пов.
2 97,2 6,4 35,1 1,9 99,1 0,6 35,0 2,3 99,1 0,6 76,3 4,8
3 95,8 13,3 34,7 4,3 98,7 1,3 34,2 9,0 98,8 1,3 75,6 10,1
4 94,5 21,4 34,1 7,3 98,1 2,3 33,0 8,6 98,7 2,2 74,5 16,7
Из таблицы видно, что при различных значениях переменных ведущую роль играет статистическая составляющая реакции почвы. Если ограничиться погрешностью до 10 %, то можно пренебречь динамическими составляющими реакций почвы на боковые поверхности для Rx, и Ry, динамической составляющей на коническую поверхность для Rz.
На основании анализа известных зависимостей с учетом принятых допущений для Rx, Ry, Rz были получены формулы:
r = 0.094r^H 2(Я + g- + 0.285pV % Н (Н +1)2; (2)
* (cos 2a)2 \R
R = 0.35k VRH 12(H +1)4 + 0.148pV 2H 2^(sin2a)^|R; (3)
^ (4)
R = 0.0094Й \I(H + 9t)5 + ^RT(1 +1.8tg 2a) + 0.32р¥гН 2tg 2a3jR.
Условие равновесия комбинированного сошника с разновеликими дисками определяется равенством боковых реакций Rz1(R1, а1, H1,V)=Rz2(R2,t2, а2, H2, V). При этом конструктивные параметры должны выбираться так, чтобы при изменении технологических параметров - скорости, глубины хода и др. равновесие не нарушалось. Пусть параметры большого диска комбинированного сошника заданы. Тогда Я - известная величина. Обозначим ее через С. Из условия равновесия получим:
С - 0.09к,/нл/(Я + 9и) - б/УТ (5)
& 2аг =-
0.32р¥2 Я2^ У + 0.0162^ + 9^ )5 бЩ,
До данному уравнению подбирается угол атаки малого диска для выполнения условия равновесия. По уравнению (5) построены теоретические кривые зависимости угла атаки малого диска от глубины хода и различных значений его толщины ^ . Из графиков (рис. 3) видно, что увеличение глубины хода малого диска комбинированного сошника до 0,02 м требует изменения его угла атаки а2 . Анализ кривых также показывает, что существует такая толщина малого диска, при которой угол атаки при любой глубине хода остается постоянным. Это очень важный вывод, поскольку невозможно менять конструктивный параметр, которым является угол атаки а2, при изменении технологических параметров, например, глубин хода. На рис. 3 изображены зависимости угла атаки а2 малого диска комбинированного сошника при следующих его постоянных конструктивных значениях к технологиче-
ским параметром ai= 5 , R1 =0.175 м, ti= 0,003 м, V =3 м/с, R2 =0,1375 м.
л от П.ОА ОЛЕ Н,м Рис. 3. Изменение угла атаки а2 малого диска в зависимости от его толщины 1;2 и глубины хода Н2 для условия равенства боковых реакций
Из анализа графиков, представленных на рис. 3 и соответствующих подстановок в уравнение (5) следует, что при угле атаки большого диска а1 =3-7° для малого следует выбирать угол атаки и его толщину соответственно в следующих пределах а1 =8-12° и ^=0.01-0,012 м.
Параметры утолщенного диска меньшего диаметра, вычисленные аналитически, находятся также в оптимальных пределах, с точки зрения раскрытия бороздки (без преждевременного осыпания почвы) для заделки семян. Результаты теоретических исследований позволили определить для комбинированного сошника его конструктивные параметры и пределы их варьирования R1=0,175-0,190 м; R2=0,135-0,150 м; а1= 3-7°; а 2 = =8-12°; Ъ= 3-5 мм; t2 = 8-12 мм; Н1= 0,06-0,12 м; Н2 = 0,02-0,08 м; V= 2,4-3,0 м/с. Полученные конструктивные параметры были использованы для разработки экспериментальных образцов комбинированных сошников трех типоразмеров по дискам (0,400 и 0,325 м; 0,375 и 0,300 м; 0,350 и 0,275 м) с разделительной или без нее между ними.
В лабораторно-полевых условиях проводились многофакторные эксперименты, где за критерии качества работы комбинированного сошника были выбраны следующие показатели: расстояние по вертикали и горизонтали между рядками семян и лентами минеральных удобрений, тяговое сопротивление. Изменению подвергались следующие технологические факторы: условия работы (влажность почвы), глубина хода комбинированного сошника, скорость движения.
По результатам экспериментов получены уравнения регрессии, связывающие величины прослойки почвы в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также коэффициенты вариации глубин заделки семян и удобрений с технологическими и конструктивными параметрами комбинированного сошника с разновеликими дисками.
При влажности почвы W=23,1 % уравнение регрессии для вертикальной Упи горизонтальной Гп прослоек почвы между рядками семян и лентами туков имеет следующий вид:
Уп= 0,034 - 0,00016Н1 + 0,0067У + 0,00003Н1У - 0, 0023У2, (6)
где Уп - расстояние между рядком семян и лентой минеральных удобрений в вертикальной плоск-сти, м; Н1— глубина хода большого диска, м.
Анализ уравнения (6) показывает, что величина прослойки почвы Уп уменьшается незначительно, в пределах 0,032-0,026 м при увеличении скорости Уи глубины хода Н1 большого диска комбинированного сошника:
Гп= 0,025 + 0,000052Н1В - 0,0018У2, (7)
где Гп - расстояние между рядком семян и лентой минеральных удобрений в горизонтальной плоскости, м.
За счет увеличения скорости Уи глубины хода Н1 большего диска комбинированного сошника величина Гп изменяется в пределах 0,020...0,012 м. Таким образом, из анализа уравнений (6, 7) видно, что величины прослоек почвы Упи Гп находятся в пределах агротехнического допуска для внутрипоч-венного внесения основной дозы минеральных удобрений и посева зерновых культур комбинированными рабочими органами с разновеликими дисками. Получены также математические модели зависимостей показателей качества заделки семян и удобрений от изменяемых технологических и конструктивных параметров:
С.у = 90 + 0,32У - 79,2Н - 120,1Д1 - 0,3аь (8)
где Су.у - коэффициент вариации глубины заделки удобрений, %: Су.у = =32-45 %; Д2, а2 - диаметр и угол атаки большого диска комбинированного сошника, м и град.
Анализ уравнения (8) показывает, что с изменением скорости в большую сторону увеличивается разброс минеральных удобрений по глубине, а при увеличении остальных факторов (Д1, а1) - уменьшается:
С^ = 30,3 - 1,76У - 98,3 Н2- 20,1Д2 + 0,59Ь2, (9)
где - коэффициент вариации глубины заделки семян; Д1, Д2 - диаметр и угол атаки малого диска комбинированного сошника, м и град. Заключение
Коэффициент вариации глубины заделки семян при изменении технологических и конструктивных параметров находится в пределах 17-35 %. Его возрастание связано с увеличением скорости движения У и угла атаки а2 диска меньшего диаметра комбинированного сошника.
Анализ показателей качества работы с помощью приведенных математических моделей позволил установить, что при использовании комбинированного сошника с размерами дисков Д1 - 0,350 и Д2 -0,275 м, толщиной малого диска 1;2=0,08-0,012 м и углом атаки а2 = 9° обеспечивается ориентированное размещение семян со стабильной прослойкой почвы в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом разброс семян и минеральных удобрений по глубине составляет соответственно Су.с=17-35 % и Су.у=32-45 %. ЛИТЕРАТУРА
1. Государственная программа устойчивого развития села на 2011-2015 гг. - Минск, 2011. - 90 с.
2. Петровец, В. Р. Обзор и исследование одно- и даухстрочных современных дисковых сошников / В. Р. Петровец, Н. В. Чайчиц, С. В. Авсюкевич // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - № 1. -С. 152-158.
3. Арзуманян, А. С. Исследование работы сошников на повышенных скоростях: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.20.01 / А. С. Арзуманян. - Л. - Пушкин, 1963. - 13 с.
4. Донная, С. М. Исследования технологического процесса заделки семян дисковыми сошниками при работе сеялки на повышенных скоростях: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / С. М. Донная. - Киев, 1963. - 191 с.
5. Набатян, М. П. Экспериментальное теоретическое исследование параметров дисковых сошников зерновой сеялки для работы на повышенных скоростях: дис.. .канд. техн. наук: 05.20.01 / М. П. Набатян. - М., 1972. - 166 с.
6. Николайчук, В. П. Исследования основных параметров зерновых сеялок: дис.канд. техн. наук: 05.20.01 /
B. П. Николайчук. - М., 1971. - 171 с.
7. Пологих, Д. В. Обоснование типа и параметров механизма навески и заглубления сошников зерновых сеялок: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Д. В. Пологих. - М., 1972. - 157 с.
8. Горячкин, В. П. Собрание сочинений в трех томах / В. П. Горячкин. - М.: Колос, 1965. - Т 1. - 720 с.
9. Петровец, В. Р. Обоснование технологических параметров однодискового сошника с опорно-прикатывающим катком / В. Р. Петровец, В. И. Ильин // Вестник БГСХА. - 2011. - № 2. - С. 138-142.
10. Комбинированный сошник с разновеликими ребордами Патент Республики Беларусь № 5945 / В. Р. Петровец, Н. И. Дудко, В. А. Гайдуков, В. И. Ильин. - 2009. - 4 с.
11. Комбинированный двухдисковый сошник Патент Республики Беларусь № 5946 / В. Р. Петровец, Н. В. Чайчиц, Н. И. Дудко, В. А. Гайдуков, В. И. Ильин. - 2009. - 4 с.
12. Комбинированный двухдисковый сошник: Патент Республики Беларусь № 8496 НПК. А0165/00 / В. Р. Петровец,
C. В. Колос, Н. И. Дудко, С. В. Авсюкевич. - заявка № 20110879, заявлено 08.11; опубликовано 04.06.12. - 3 с.
13. Комбинированная сеялка. Авторское свидетельство СССР № 950219 / В. Р. Петровец [и др.]. - заявка № 3256128/3015, заявлено 02.03.1981, опубликовано 15.08.82. - 4 с.
