CC BY
113
УДК 631.316.02. 022.2 Н.С. Яковлев
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫРАВНИВАНИЯ ПОЛЯ ПОСЛЕ ПОСЕВА ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИМИ
ПОСЕВНЫМИ МАШИНАМИ «ОБЬ-4ЗТ»
Рассмотрено влияние налипшей на лапу почвы на разброс почвы по следу лапы. Определены скорость передвижения ППМ и глубина работы кольчатых катков, при которых обеспечивается необходимое выравнивание поверхности поля. Предложена навеска катков, не оставляющая гребней.
Ключевые слова: гребень, борозда, почвообрабатывающе посевная машина, универсальная лапа, кольчатый каток, поле, почвенный клин.
N.S. Yakovlev RESEARCH OF THE PROCESS OF FIELD LEVELING AFTER SEEDING BY THE CULTIVATING SOWING MACHINES «OB-4ZT»
Influence of soil that adhered on the hoe on soil dispersion on the hoe trace is considered. Speed of CSM movement and ring roller operating depth, which maintain the necessary field surface leveling are determined. Roller mounting which does not make backs is offered.
Key words: back, rib, cultivating sowing machine, universal hoe, ring roller, field, soil gore.
Введение
Особое внимание при посеве зерновых культур почвообрабатывающими посевными машинами (ППМ) с универсальными лапами уделяется выравниванию поверхности поля после посева. Считается, что универсальные лапы работают неустойчиво на глубине до 8 см, поэтому на поверхности поля образуются гребни и борозды, которые снижают качество посевов. Для выравнивания поверхности поля и заделки семян ППМ «Обь-4ЗТ» оборудуются кольчатыми катками. Катки выполняют несколько операций, прикатывают почву под слоем мульчи, выравнивают поверхность поля и вычесывают сорняки. Но не всегда поверхность поля после посева ППМ удовлетворяет агротехническим требованиям. Часть претензий, поступающих от покупателей, связана именно с неровной поверхностью поля после посева, которая заключается в наличии неза-сыпанных следов заднего ряда лап и гребней, образованных на стыке катков (рис.1).
Рис.1. Всходы пшеницы на поле, засеянном ППМ «Обь-4ЗТ», по центру и справа видны гребни
Гребнитость поля после посева ППМ «Обь-4ЗТ» отмечается также автором [1]. Поэтому изучение причин, влияющих на образование гребней и борозд, представляет важную проблему.
Целью настоящей работы является установление причин, влияющих на выравнивание поверхности поля по следу ППМ «Обь-4ЗТ».
В связи с этим в работе решились следующие задачи:
- определить влияние налипшей на лапу почвы, скорости движения ППМ и параметров работы катка на выравнивание поверхности поля;
- обосновать предложения по повышению выравненности поверхности поля.
В общем случае работа ППМ сопровождается рыхлением почвы универсальной лапой с образованием семенного ложа, укладкой семян на ложе, заделкой семян почвой и поверхностное прикатывание почвы кольчатыми катками, установленными под углом атаки, равным 17 град.
При движении машины лапа ребром клина отрезает пласт почвы, а рабочими гранями раздвигает почву, сминая и перемещая ее частицы, при этом открывается борозда, которая при проходе лапы должна засыпаться почвой. Но в некоторых случаях этого не происходит. На это могут влиять такие факторы, как механический состав почвы, ее влажность, засоренность почвы сорняками, форма поверхности лапы и скорость движения машины. Это усугубляется еще тем, что слой почвы по профилю хвостовика лапы, не скользит по ее поверхности, а прилипает к ней и движется вместе с лапой. В результате чего на поверхности лапы от носка к верхней части хвостовика образуется клин из почвы, который определяет рабочие параметры лапы и влияет на качество поверхности поля. Ширина клина соответствует ширине хвостовика лапы, а угол его наклона зависит от механического состава почвы, высоты хвостовика и способа крепления лапы к стойке (рис. 2).
Чем больше налипает почвы на лапе, тем глубже получается борозда и тем сложнее получить за посевной машиной выровненную поверхность. В работе ППМ отрезанный ребром лапы пласт почвы надвигается на лапу, перетекает через ее крылья и укладывается на дно борозды, а по профилю стойки почва скользит по почвенному клину, поднимается вверх до стойки и приобретает ее скорость. Встречные частицы верхнего слоя почвы сталкиваются с ней, приобретают некоторую скорость и отбрасываются в сторону от стойки.
Рис. 2. Лапы посевной машины с налипшей почвой. Новосибирская область, почва выщелоченный
чернозем, средний суглинок, влажность 15%
При этом на теле стойки образуется небольшой треугольник из почвы, выступающий над поверхностью почвенного конуса, основание его равно ширине стойки, а угол при вершине равен 23-24 град. Толщина слоя почвы, образующего треугольник, увеличивается от середины хвостовика лапы к стойке и достигает у верхнего края хвостовика до 20-30 мм.
Налипание почвы на лапу наблюдается на всех типах черноземных почв, даже при влажности W = 10%. С образованием почвенного клина на лапе, почва скользит по почве, налипшей на лапу, и коэффициент трения увеличивается. Для того чтобы изучить влияние налипшей на лапу почвы на процесс образования борозды, нами разработана математическая модель. Модель позволяет моделировать форму почвенного клина на лапе и определять характер разброса почвы. В соответствии с этим рабочую поверхность лапы можно характеризовать углом наклона почвенного клина к поверхности борозды а и углом боковой поверхности почвенного клина у [2].
В общем виде модель представлена формулой
L = S + B + 2 h tg Q + 4VвVг / g, (1)
где L - ширина следа из рыхлой почвы, м;
S - ширина лапы, м;
B - ширина хвостовика лапы, м; h - глубина обработки почвы, м;
Q - угол скалывания почвы, Q = 40-50 град;
Vв - вертикальная составляющая скорости почвы, поднятой клином;
Vг - горизонтальная составляющая скорости почвы, передвинутой клином; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Вертикальная составляющая Vв вектора скорости почвы, поднятой клином:
VB =VMsina (cos a -fsina), (2)
где VM - скорость передвижения машины по полю, м/с; a - угол наклона поверхности почвенного клина, град; f - коэффициент трения скольжения почвы по поверхности клина.
Горизонтальная составляющая Vг скорости почвы, передвинутой клином равна
V=VMsin у (cos у -fsin у), (3)
где у - угол боковой поверхности почвенного клина, град.
Модель проверена на адекватность реальным процессам и позволяет рассчитать теоретическую ширину следа из рыхлой почвы на поверхности поля зависимости от формы налипшей на лапу почвы, глубины посева и от скорости движения машины.
Методика исследований
Эксперимент проводили на поле ОПХ «Элитное» обработка поверхности поля проводилась серийной ППМ «Обь-4ЗТ». Почва - выщелоченный чернозем, по механическому составу - среднесуглинистая,
влажность почвы на глубине хода лапы - 15%. Чтобы определить влияние скорости передвижения машины
на размер ширины следа лапы, с машины снимали катки и с каждой стороны по две стойки, так, чтобы исключить набрасывание почвы от соседних лап. Причем одну стойку устанавливали на жестком креплении, а вторую с пружинами. При эксперименте использовались три скорость обработки почвы - 2,13; 2,73 и 4,28 м/с. Скорость трактора замеряли секундомером по прохождению контрольных точек 30 м участка.
Для получения профиля поля по следу машины на машину устанавливали полный комплект лап, но машина работала без катков. Скорость работы машины равнялась 2,73 м/с. Получив картину профиля следа при работе машины без катков, на машину устанавливали катки, проводили регулировку катков и пропускали машину через контрольный участок со скоростью 2,73 м/с.
Следующим этапом являлась проверка качества работы установленной на машину перед катками выравнивающей планки. Чтобы сравнить результаты проводили профилирование поверхности поля по следу машины.
Для замера профиля над следом машины на высоте 100 мм от нетронутой поверхности поля натягивалась размеченная леска. Леску размечали на отрезки 0,2 м и каждый отрезок дополнительно делили еще на три части. Это делалось для того, чтобы деления не совпадали с шагом установки колец катков. Измерения проводили линейкой против каждой отметки на леске с четырехкратным повторением. Механический состав почвы определяли влажным методом, влажность почвы по стандартной методике. Результаты обрабатывались с помощью программы Microsoft Office Excel.
Результаты исследования
Анализируя результаты исследования по влиянию скорости ППМ на ширину следа лапы, можно сказать, что при увеличении скорости в два раза ширина следа увеличилась в 1,2 раза (с 0,66 до 0,8 м) (рис. 3). Кроме этого можно заметить, что лапа, установленная на стойке, оснащенной пружинами, делает ширину
следа на 5% больше, борозда по следу получается глубже, а гребень ниже. Это происходит в результате упругих колебаний при движении лапы в почве. Однако высота гребня от дна борозды у лап, оснащенных пружинами, и с жестким креплением, существенно не отличается и варьирует от 4 до 7 см.
Пружин. —■—Жесткая —й—Теоретич.
Скорость машины, м/с
Рис. 3. Зависимость ширины борозды от скорости движения машины
При работе ППМ на разброс почвы оказывают влияния рядом стоящие лапы. Лапы заднего ряда перебрасывают почву на след передних лап и засыпают его, при этом профиль борозды несколько меняет свою форму (рис.4).
Рис. 4. Профили борозды, образованные лапами при различных скоростях движения машины
На графике надо рассматривать две борозды и гребень по центру рисунка. Крайние гребни раздавлены колесами машины, а за колесом с заднего бруса лапы сняты. Анализируя график, видим, что при скорости движения машины 7,66 км/ч гребень получается более высокий и крутой, с увеличением скорости машины до 9,82 км/ч гребень снижается и становится более низким и пологим. При увеличении скорости машины до 15,43 км/ч борозда получается широкая, а гребень неровный из-за неравномерного разброса почвы. Соответственно, профиль борозды при скорости движения машины 9,82 км/ч можно считать наиболее ровным, а скорость - наиболее приемлемой для работы ППМ.
Для изучения влияния геометрических параметров лапы на формирование борозды проведено математическое моделирование процесса разброса почвы. Математическое моделирование позволило изучить процесс образования борозды при различных скоростях движения машины в зависимости от параметров сформированного почвенного клина на лапе (табл.).
С увеличением налипания почвы на лапу расстояние разброса почвы начинает увеличиваться, но при залипании лапы, когда углы а и у достигнут критического значения, начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что почва начинает отбрасываться вперед по ходу машины и происходит процесс образования перед лапой и стойкой движущего вала, поэтому борозда делается более глубокой, а гребни высокими.
Ширина следа лапы в зависимости от геометрических параметров почвенного клина на лапе и коэффициента трения почвы о почву при скорости посева 3 м/с
Коэффициент трения Угол боковой поверхности У, град Угол наклона поверхности клина а , град
10 20 30 40 50
0,36 10 0,7 0,76 0,8 0,8 0,76
20 0,76 0,88 0,94 0,94 0,88
30 0,8 0,94 1,02 1,02 0,94
0,58 10 0,68 0,74 0,76 0,74 0,68
20 0,74 0,84 0,86 0,84 0,74
30 0,76 0,86 0,9 0,86 0,74
С увеличением коэффициента трения численное значении критических углов снижается. Так, например, при коэффициенте трения 1 = 0,36, что соответствует тангенсу угла трения при (р= 200, критические углы а и у равны 35 град., а при ^ = 0,58, = 300, углы а и у равны 30 град.
Для определения взаимовлияние лап заднего ряда на передний получена картина профиля следа машины при работе ее без катков (рис. 5). Анализируя проекцию следа машины без катков, можно сказать, что след передних лап полностью засыпается почвой отбрасываемой лапами заднего ряды, причем высота гребней от дна борозды достигает 8 см.
При заглублении кольчатого катка на глубину 3-4 см, как рекомендует руководство по эксплуатации ППМ «Обь-4ЗТ», кольчатый каток не перекрывает борозду, так как шаг установки его колец 110 мм, а расстояние между поверхностями двух смежных гребней на глубине работы катка не менее 200 мм. Поэтому два кольца попадают в борозду и не перемещают почву на место почвы, убранной соседним кольцом. Для устранения этого недостатка необходимо увеличивать рабочую глубину кольчатых катков при погружении их в гребень до 5-6 см или применять специальные выравниватели в виде планки, установленной перед катками. Поверхность поля после прохода машины с кольчатыми катками, установленными на глубину 5-6 см представлена тонкими линиями (рис. 6).
Рис. 6. Проекция следа, оставленного «Обь-4ЗТ» с катками
Установка выравнивающей планки перед кольчатыми катками оказывает незначительное влияние на выравнивание поверхности поля. Стандартные отклонения неровностей от среднего значения поверхности поля у катков, оснащенных выравнивающей планкой по двум промерам составили 10,5 и 10,9 мм, а у катков без выравнивающих планок - 12,0 и 12,6 мм. При этом по краям следа и в центре его остались небольшие гребни высота которых составляет от 20 до 40 мм, и выравнивающая планка не убирает их (рис. 6). Эти гребни образуются катками. На каждой машине устанавливается по два кольчатых катка, катки для вычесывания сорняков устанавливают под углом атаки, кроме этого для снижения действия сил бокового смещения катков, катки на ППМ устанавливают под углом относительно друг к другу. Поэтому в местах стыковки происходит встреча двух потоков почвы и образует гребень. Особенно это заметно при комплектовании широкозахватных агрегатов. Среднее значение высоты гребней по следу агрегата в наших опытах составило 6 см, стандартное отклонение Б = 2,76, коэффициент вариации V = 46%. Для удаления гребней на ППМ устанавливают цепные выравниватели. В наших опытах цепные выравниватели снижали высоту гребня на (30-40%), но полностью его не убирали. На отдельных почвах, а также при влажной и засоренной почве, цепные выравниватели забиваются растительными остатками и волокут за собой большой ком почвы, оставляя широкий след. При исследованиях было установлено, что сила бокового смешения катков не превышает 0,3 кН /м ширины захвата катка. При весе ППМ с семенами 35 кН это не влияет на боковое смещение ППМ в работе. Учитывая это, нами разработана универсальная навеска катков (рис. 7).
Рис. 7. Почвообрабатывающая посевная машина «Обь-4ЗТ» в работе с новой навеской кольчатых катков
С универсальной навеской можно устанавливать катки как под углом, так и параллельно друг другу. Это позволяет кольчатому катку, установленному сзади, перекрыть след переднего катка и соответственно качественнее подготовить поверхность поля без образования гребня. Особенно это сказывается при работе ППМ в агрегате. Набольшее отклонение профиля поля от поверхности составляет с новой навеской + 1 см, это соответствует агротехническим требованиям к посевным машинам.
Выводы
1. При налипании на лапу почва образует почвенный клин, который определяет углы наклона рабочей поверхности лапы. При достижении критических углов наклона 30-35 град лапа начинает толкать почву и след от лапы становится глубоким.
2. Скорость работы ППМ влияет на выравненность поверхности поля, наиболее оптимальной можно считать скорость посева 9,82 км/ч.
3. Для обеспечения нормальной работы кольчатого катка его рабочая глубина должна быть 4-5 см , при глубине посева семян 5-7 см.
4. Установка выравнивающей планки перед кольчатыми катками позволяет получить поверхность поля с отклонением 10,5 и 10,9 мм, у катков без выравнивающих планок - 12,0 и 12,6 мм.
5. Универсальная навеска позволяет избежать появление гребней в местах стыковки катков, стандартное отклонение поверхности поля составляет + 1 см.
Литература
1. Беляев В.И., Панин А.В. Результаты энергетической и агротехнической оценки почвообрабатывающей посевной машины «Обь-4ЗТ» при обработке почв в Алтайском крае // Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2007.
- №5. - С. 88-92.
2. Сосоров С.В. Обоснование параметров сошниковой группы для бороздково-ленточного посева зерновых культур: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск, 2007. - 20 с.
УДК 630*332.2.001.57 И.М. Бартенев, С.В. Малюков, В.В. Посметьев
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ КУСТОРЕЗА С УПОРАМИ-УЛАВЛИВАТЕЛЯМИ ПОРОСЛЕВИН
Разработана математическая модель кустореза с упорами-улавливателями порослевин. В модели сделан упор на возможность порослевины менять свою форму при взаимодействии с упорами-улавливателями, а также разделяться на фрагменты при резании. Модель позволяет изучить влияние параметров кустореза на эффективность его работы.
Ключевые слова: кусторез, древесно-кустарниковая растительность, улавливатель, математическая модель.
I.M. Bartenev, S. V. Malyukov, V.V. Posmetyev OPERATION MODELING OF A BUSH CUTTER EQUIPPED WITH SUPPORTING-CATCHER DEVICE FOR THE YOUNG GROWTH
The mathematical model of a bush cutter equipped with supporting-catcher device for the young growth is developed. The emphasis in the model is focused on the young growth ability to change the form at the interaction with supporting-catcher device as well as to divide into fragments while being cut. The model allows to study the influence of bush cutter parameters on its work efficiency.
Key words: bush cutter, tree and shrubbery vegetation, catcher, mathematical model.
Актуальность и постановка проблемы. Наиболее широкое применение нашли кусторезы, имеющие рабочий орган в виде цилиндрической фрезы на горизонтальной оси вращения, установленной перпендикулярно к направлению движения агрегата (КОГ-2,3 на тракторе ЛХТ-55, КОМ-2,3, КОН-2,3, КО-1,5 и др.). Характерной особенностью данных кусторезов является удаление поросли путем фрезерования без подпора, что является существенным недостатком, поскольку далеко не вся поросль удаляется. Это вызвано малым сопротивлением порослевин изгибу, в связи с чем молодая поросль осины, березы, ольхи, граба и других мягколиственных пород высотой до 0,7...1,0 м отклоняется рабочим органом кустореза при поступательном движении агрегата, фреза как бы "приглаживает”, и после прохода поросль продолжает развиваться.
Устранить отмеченный недостаток возможно, применив фрезерование с подпором, исключающим отклонение порослевин в направлении движения агрегата.
Цель работы - разработать математическую модель работы фрезы кустореза с упорами, позволяющую затем обосновать параметры и конструкцию упоров, режимы работы кустореза.
Задачи исследования:
1) разработать физико-математическую основу модели;
2) составить компьютерную программу, позволяющую исследовать модель;
3) произвести первичную проверку адекватности модели.
Методы моделирования: классическая динамика упругого тела, метод конечных элементов. Описание модели. Физическая модель предлагаемого кустореза представлена на рисунке 1. Моделирование кустореза в целом основано на методах классической механики [1, 2]. Так как основным улучшаемым параметром является качество удаления поросли, в модели необходимо максимально адекватно предста-
