CC BY
43УДК 631.313.072.3:001.891
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИГОЛЬЧАТОЙ БОРОНЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ПОЧВЕ
В.А. Кондратов, М.М. Ковалев, Г.А. Перов
ФГБНУ ВНИИМЛ
Аннотация: Изложено состояние проблемы поверхностной предпосевной обработки почвы под посев мелкосеменных культур решение которой позволит повысить эффективность их возделывания. Показана целесообразность применения игольчатых борон с пассивным приводом и радиально установленными на дисках прямолинейными иглами. Анализ их работы позволил выявить ряд неизученных вопросов, решение которых необходимо для дальнейшего совершенствования этих рабочих органов в целях повышения производительности, и более высокого качества выполнения технологического процесса. Составлены дифференциальные уравнения движения диска бороны, с учетом момента силы трения, действующей со стороны почвы на иглу во время вращения диска, и силы сопротивления, преодолеваемой иглой при выходе из почвы. Проведён анализ прокалывания почвы иглами игольчатой бороны; уточнены силы, действующие на иглы при взаимодействии с почвой с учетом опытных коэффициентов, рассмотрены особенности движения игл; приведены результаты уточненного анализа сил, действующих на иглы бороны при обработке почвы и других факторов; получена уточненная зависимость для определения движущей силы игольчатой бороны, с учетом силы сопротивления, преодолеваемой иглой при выходе из почвы, что позволит повысить точность расчетов.
Ключевые слова: почва, прокол, сопротивление, игольчатая борона, движущая сила, зависимость.
Введение. Поверхностная предпосевная обработка почвы представляет собой мероприятия, направленные на получение качественной поверхности почвы и создание благоприятных условий для прорастания семян и развития растений, что в дальнейшем приводит к увеличению урожайности [1-4]. Эффективность возделывания льна-долгунца и других мелкосеменных культур во многом определяется уровнем такой обработки почвы. Для получения заданных параметров стеблестоя льна-долгунца обработанный слой почвы должен быть хорошо взрыхленным и мелкокомковатым [4].
Для весенней поверхностной предпосевной обработки почвы применяются игольчатые бороны. В сравнении с другими ротационными рабочими органами, игольчатые бороны меньше распыляют почву, хорошо её сепарируют, они менее энергоемкие и способны работать на повышенных скоростях. Кроме того, в последние годы фирмой «Бирой» созданы ликвилайзеры для внесения жидких удобрений, у которых в качестве колес инъекций применены игольчатые диски, что расширяет объемы их использования [5]. Поэтому игольчатые бороны являются наиболее перспективными для поверхностной предпосевной обработки почвы при возделывании льна-долгунца и других мелкосеменных культур, возможности которых пока не реализованы полностью [5,6].
Игольчатые бороны исследованы рядом авторов [2,3,5-7], однако несмотря на это недостаточно изучены вопросы взаимодействия игл с почвой, в частности силы, действующие на иглы бороны при обработке почвы, и особенности движения игл.
Цель данного исследования заключается в проведении уточнённого анализа сил, действующих на иглы бороны при обработке почвы с учетом силы сопротивления, преодолеваемой иглой при выходе из почвы.
Материалы и методы исследования. Рассматриваемая игольчатая борона относится к устройствам, имеющим ведомые звенья, совершающие качение по почве в продольно-вертикальной плоскости (рис. 1).
При этом игольчатые диски 1, движущиеся в этой плоскости, углубляются иглами 2 в почву, производят её прокол и рыхление.
Движение бороны осуществляется под действием горизонтально приложенных в центрах дисков сил Диск 1 (рис. 1) движется влево со скоростью Ус и с угловой скоростью ю вращается против часовой стрелки вокруг оси С. Заглубление игл в почву происходит под действием силы тяжести О бороны. Сопротивление иглы заглублению в почву происходит с силой Q, направленной по оси иглы к центру вращения С.
При вращении иглы вокруг неподвижного центра С конец иглы описывает дугу А13А1А112. Конец иглы описывает в пространстве сложную кривую (циклоиду).
Методы исследования базируются на системном анализе и теоретическом расчете.
Результаты и обсуждение. Анализ работы игольчатой бороны проведён исходя из следующих допущений:
- борона с дисками и иглами рассматривается как тело,
л Vй
ж
1-диск; 2-игла
Рисунок 1 - Схема движения игольчатой бороны (а) и силы, действующие на центр С диска бороны (б).
движущееся вместе с энергосредством влево по горизонтали, при этом оси дисков перпендикулярны плоскости движения, а диски с иглами вращаются против часовой стрелки вокруг своих осей;
- начало взаимодействия движущей иглы с почвой происходит в момент, когда ее конец касается почвы в положении ^41(рис. 1, а). После этого игла, обозначенная как еще больше заглубляется в почву под углом (¥0 + ¥) к горизонтали Сх, по которой направлена движущая сила Рд бороны (здесь - угол хСАь характеризующий начальное положение иглы на рис. 1, а, а ¥ - текущее значение угла А1СА11, характеризующий положение иглы во время ее поворота и заглубления в почву);
- прокол почвы полностью заканчивается, когда игла СА[перешла положение линии СА[2на половину толщины ди иглы, т.е. когда игла повернулась на угол ¥= 8у/ги, где ги - радиус центра С вращения диска до конца иглы (измеряется в радианах).
Ввиду того, что Q - сила сопротивления одной иглы углублению в почву, для точности расчетов следует считать О силой тяжести той части веса бороны, которая приходится на одну работающую иглу, а Рд - той частью движущей силы, которая приходится на одну работающую иглу.
Введем на рис. 1,а неподвижную систему координат хС0у с
началом в точке С0 (центр диска в начальном положении). Ось С0х направим по горизонтали влево из центра С0 в сторону движения бороны, а ось С0у - вниз. На рис. 1,6 показаны силы, действующие на центр С диска бороны. Тогда, в соответствии с законами плоскопараллельного движения твердого тела, дифференциальные уравнения движения диска бороны, будут:
тди^с = тди "ТТГ = ^ — Чх — Qlx;
тдиус = тди = С -Qy - Qly;
IV = = м,
° ° м2
(1)
где Шди - масса диска с иглами; хс - проекция линеиного ускорения центра С диска на ось х; г - время; ((х - проекция силы Q на ось х; ус -проекция линейного ускорения центра С на ось у; ( - проекция силы ( на ось у; (1 - сила сопротивления, преодолеваемая иглой при выходе из почвы; (1х - проекция силы (1 на ось х; (1у - проекция силы (1 на ось у; /с - момент инерции диска с иглами и пластом почвы относительно оси вращения С; Ф - угловое ускорение вала диска; ¥ -угол поворота диска от линии СА1 (отсчитывается против часовой стрелки); хс - абсцисса центра С; ус - ордината центра С; М - момент силы трения, действующий со стороны почвы на иглу во время вращения диска (определяется опытным путем).
Из первого уравнения (1) с учетом характера движения бороны в агрегате с трактором, который движется равномерно, следует, что проекция ускорения хс равна нулю. Тогда х=С, где С - константа, т.е. постоянная скорость ус агрегата. Во втором уравнении (1) ,ус=0, так как проекция ускорения точки С на ось у равна нулю (центр С не движется по вертикали). В третьем уравнении (1) угловое ускорение Ф=0, а угловая скорость Ф, равная ю, постоянна. Ввиду этого из трех уравнений (1) остаются следующие два уравнения статистики:
Рд -Qx- Qlx; * 0;
* 0. 1
G-Qy - Qly. * 0. } (2)
Как видно из рис.1,а «выходящая» игла ^12вращается в зоне, где прокол почвы уже выполнен. Будем считать, что почва под диском с иглами передвигается вправо и вверх на расстояние А1А112под действием сил воздействия движущихся игл. Определить теоретически закономерность изменения этих сил воздействия трудно, лучше это делать на основе экспериментов.
Будем считать также, что эти силы воздействия в зоне ^^"гпрокола почвы больше в левой части бороны и уменьшаются с ростом пути перемещения концов игл до точки аЧ2, где воздействие
можно считать равным нулю. Тогда сила воздействия й1х в этой зоне будет равна:
(3)
где £1 - опытный коэффициент, показывающий, какая доля силы й будет действовать в зоне А12А^2(в точке ^4"2к0ЭФФиЦиент £1 может быть равен нулю).
Точно также проекция й1у силы й1 будет равна:
й1у^2 йу, (4)
где £2 - опытный коэффициент, показывающий, какая доля силы йу будет действовать в зоне ^12^12 (в точке ^4"2к0ЭФФиЦиент £2 может быть равен нулю).
Равнодействующая силы й1 составляющих сил й1х и й1у на основе изложенных выше данных будет равна:
+ Qlv = 1(МХ )2 + (Ш2. (5)
V + У = ^(SlVx) + (S2Vy.
Игла 12 мало опирается на твердую почву, и сила реакции почвы здесь мала. Принимаем, что сила G давит в основном на иглу А[, производящую прокол почвы. Это положение тем справедливее, чем ближе игла А[к выходу из зоны A¡A12, а именно к вертикали СА12. Точно определить изменение действия силы G на иглы СА[при входе и СА[2 при выходе из почвы очень трудно. Ввиду таких особенностей действия силы G дальнейшие расчеты проведем лишь для приближенного определения сил Рд и G. Определим эти силы из равенств (2):
Рд + QlxI G ~ Qy + Qly. I
Из второго уравнения (6) следует, что игольчатая борона может работать лишь при определенном ее весе G. Если этот вес недостаточен, то необходимое углубление игл в почву может не произойти.
Для анализа первого уравнения (6) проанализируем силы, показанные на рис.1,б. На нём представлены силы, действующие на ось С бороны. Это сила движущая Рд, сила тяжести G и силы сопротивления Q и Q1. Линия действия силы Q проходит по линии
Ж
иглы под углом - — Wo — V к вертикали (здесь ¥о - угол отклонения от горизонтали линии иглы в момент касания поверхности почвы кончиком иглы, ¥ - угол поворота иглы во время её углубления в почву), а линия действия силы Q1 проходит под углом ¥1 к вертикали.
Из первого уравнения (6) следует, что сила Рд ~ Qx + Qlx. Из
рис.1,б видно, что сила Qx = Q sin (-^—Wo — v) = Qcos(Vo + V ).
Из того же рис.1,б следует, что сила Qlx = QxsinVí. Тогда
Рд * Qcos(Vo + V ) + Qi.sin V1. (7)
Сила Q зависит от глубины погружения иглы в почву. Согласно опытным данным зависимость Q от глубины X погружения иглы в почву близка к линейной, т.е.
Q * цЛ, (8)
где ^ - коэффициент, определяемый опытным путем, Н/м.
С учетом равенства (8) уравнение (7) получит следующий вид: Рд * vXcosQVo + V ) + Qi.sin V1. (9)
В этой формуле два переменных: X и ¥, причем X зависит от ¥. Глубина X погружения иглы в почву равна [6]:
X*— V, (10)
где hH - полная глубина погружения иглы в почву; - полное значение угла ¥ от точек А1 до точки 01 (¥12 - угол А1СА12); ¥12=900-
Подставляя (10) в (9) получим следующую зависимость силы
¥.
Рг,
Рд + У ) + Q1sm ^ (11)
Формула (11) представляет собою зависимость силы Рд от величин к;, Ии, ¥12, ¥0, Q1, Из этих величин ¥ является
переменной, остальные же постоянные. Эту формулу можно записать таким образом, что сила Рд будет величиной, зависимой только от X при остальных параметрах неизменных. Для этого воспользуемся формулой (11), из которой следует, что
У « ^Х. (12)
ьи
С учетом этого значения ¥, подставляя которое в (11), имеем:
Рд «кXcos (Уо + ^Х ) + Q1.sin Уг, (13)
V пи /
где величины ¥0, ¥12 и ¥1 должны быть в градусах.
Анализ исследования показал, что до начала прокола и в момент соприкосновения концов игл с почвой при глубине Х=0, угол ¥ и сила Рд также равны нулю.
В этот момент сила Qx=0, значит, вес О мало передается на игольчатую борону, а больше воспринимается колесами агрегата или трактора. Но с ростом угла ¥ и глубины X сила Рд возрастает. В этом случае возрастут и составляющие Qx и Qy. Вес О воспринимается иглами бороны сначала частично, а затем и полностью, особенно при росте силы Q.
Когда угол ¥ достигает значений, близких к ¥12, и прокол почвы заканчивается, составляющая Qx и движущая сила Рд уменьшаются. Из-за уменьшения составляющей Qy сила тяжести О снова начинает
передаваться, хотя бы частично, на опоры агрегата или трактора.
Таким образом, в начале и конце заглубления иглы, а также при её выходе из почвы сила Рд равна нулю. В остальном же сила Рд, а также та часть силы тяжести G, которая передается на иглы при проколе почвы, значительны.
Выводы. Проведен уточненный анализ сил, действующих на иглы бороны при обработке почвы с учетом силы сопротивления, преодолеваемой иглой при выходе из почвы. Рассмотрены особенности взаимодействия игл бороны с почвой.
Составлены дифференциальные уравнения (2) движения диска бороны. Анализом этих уравнений получена зависимость (13) для определения движущей силы бороны, с учетом заглубления иглы в почву и выхода из нее, что позволит повысить точность расчетов.
Список использованных источников:
1. Конищев, A.A. Обоснование параметров рабочих органов игольчатой бороны для обработки почвы на стерневых фонах: дис. ... канд. техн. наук/Конищев Алексей Алексеевич. -Шортанды, 1983.-174с.
2. Смирнов, П.А. Обоснование параметров игольчатой бороны с кинематическим соединением ме^ду эшелонированными батареями: дис. ... канд. техн. наук/Смирнов Петр Алексеевич.-Чебоксары, 2002.-124с.
3. Голубев, В.В. Совершенствование технологических процессов и технологических средств для предпосевной обработки почвы, посева льна и других мелкосеменных культур: автореф. дис. ... докт. техн. наук/Голубев Вячеслав Викторович.-М,2017.-40с.
4. Хайлис, Г.А. О взаимодействии игл игольчатой бороны с почвой при разных режимах работы/Г. А. Хайлис, М.М. Ковалев, H.H. Толстушко, В.В. Шевчук//Тракторы и сельхозмашины.-2014.-№5.-С.25-28.
5. Ковалев, М.М. Теоретические основы воздействия игл игольчатой бороны на почву/М.М. Ковалев, C.B. Прокофьев, Д.Г. Фадеев, В.А. Кондрашов//Техника и оборудование для села.-2017.-№1.-С.12-15.
6. Шапарь, М. С.Обоснование конструкционных и технологических параметров виброкатка/М.С. Шапарь, А.Н. Шишлов//Тракторы и сельхозмашины.-2014.-№5.-С.24-25.
7. Сизов, И.В. Инновационная игольчатая борона для поверхностной обработки почвы под лён-долгунец/И.В. Сизов, В.А. Кондрашов//Конкурентоспособность и инновационная активность АПК регионов: сб. науч. тр. по мат. Межд.науч.-практ.конф.6-8 февраля 2018г. -Тверь: Тверская ГСХА, 2018.-С.215-217.-368с.
Кондратов Виктор Анатольевич, аспирант лаборатории «Возделывания и уборки лубяных культур», vik3353@yandex. ru.
Ковалев Михаил Михайлович, доктор технических наук, научный руководитель, m.kovalev@vniiml.ru.
Перов Геннадий Анатольевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Возделывания и уборки лубяных культур», vniiml2@ mail. ru.
ФГБНУ ВНИИМЛ (Всероссийский научно-исследовательский институт механизации льноводства), 170041, Россия, г.Тверь, Комсомольский проспект, 17/56, тел./факс (4822) 41-61-10, vniiml1@mail.ru.
INVESTIGATION OF THE OPERATION OF A NEEDLE HARROW WHEN DRIVING ON SOIL
V.A. Kondrashov, M.M. Kovalev, G.A. Perov
All-Russian Research Institute of Flax Production (VNIIML)
Abstract: The state of the problem of surface pre-sowing tillage for sowing of small-seeded crops is described, the solving of which will improve the efficiency of their cultivation. The expediency of using needle harrows with a passive drive and straight-line needles radially mounted on disks is shown. An analysis of their work revealed a number of unexplored issues that need to be resolved for the further improvement of these working bodies in order to increase productivity, and a higher quality process performance. The differential equations of the movement of the harrow disk, taking into account the moment of the friction force acting from the soil on the needle during the rotation of the disk, and the resistance force overcome by the needle when leaving the soil, are compiled. The analysis of soil piercing with needles of a needle harrow; the forces acting on the needles when interacting with the soil were specified, taking into account the experimental coefficients, the characteristics of the movement of needles were considered; the results of the refined analysis of the forces acting on the needles of the harrow during tillage and other factors; a refined relationship was obtained to determine the driving force of the needle harrow, taking into account the resistance force overcome by the needle when leaving the soil, which will improve the accuracy of calculations.
Keywords: soil, puncture, resistance, needle harrow, driving force,
dependence.
Kondrashov Viktor Anatolievich, post-graduate student of the laboratory "Cultivation and harvesting of bast culture", vik3353 @yandex. ru.
Kovalev Mikhail Mikhailovich, doctor of technical sciences, supervisor of studies, m.kovalev@vniiml.ru.
Perov Gennady Anatolievich, Cand.Tech.Sci., Leading researcher of the laboratory "Cultivation and harvesting of bast culture", vniiml2@mail.ru.
FSBSI All-Russian Scientific Research Institute of Flax Growth Mechanization, 170041, Russia, Tver, Komsomolsky prospect, 17/56, tel./fax (4822) 41-61-10, vniiml1@mail.ru.
