CC BY
10АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.314:612
ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ГИБКО-УДАРНОЙ
РОТАЦИОННОЙ БОРОНЫ В УСЛОВИЯХ ЗОН РИСКОВАННОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ
Соболевский И.В., кандидат технических наук, доцент; Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского».
Статья раскрывает новый системный подход на основе бионики к обоснованию элементов конструкции рабочих органов гибко-ударной ротационной бороны БГУР-2,8, которые позволяют улучшить процесс создания прерывистых борозд в форме лунок, повысить водопроницаемость верхнего, обработанного слоя почвы и его сопротивляемость порывам ветра поля с выдерживанием всех агротехнологиче-ских требований предъявляемых к боронованию почвы в условиях зон рискованного земледелия Республики Крым.
Ключевые слова: рабочие органы, гибко-ударная ротационная борона, биологический прототип, животны-е-землерои, дождевой червь, водная и ветровая эрозия, испытания.
RESEARCH OF THE QUALITY OF SURFACE TILLAGE WORKING BODIES OF A FLEXIBLE-IMPACT ROTARY HARROW IN THE CONDITIONS OF RISK AGRICULTURE IN THE REPUBLIC OF CRIMEA
Sobolevsky I.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Institute «Agrotechnological Academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University».
The article reveals a new systemic approach based on bionics to substantiate the design elements of the working bodies of the flexible-shock rotary harrow HFGR-2,8, which make it possible to improve the process of creating intermittent grooves in the form of holes, to increase the water permeability of the upper, processed soil layer and its resistance to wind gusts of the field with compliance with all agro-technological requirements for harrowing the soil in the zones of risky agriculture in the Republic of Crimea.
Key words: working bodies, flexible-shock rotary harrow, biologicalprototype, earth-moving animals, earthworm, water and wind erosion, tests.
Введение. В соответствии с программой по устойчивому развитию сельских поселений в Российской Федерации, перед Крымскими аграрными фор-
42
мированиями на сегодняшний день поставлена задача, увеличить общий сбор зерна до 12 миллион тон. Это, в свою очередь, означает, что необходимо увеличить урожайность до 43 ц/га. Однако, в условиях засушливого Крыма это является очень непростой задачей. Её решение требует использования всего рекреационного ресурса почв имеющегося в Крыму. Одним из основополагающих резервов по повышению урожайности является внедрение ресурсосберегающих почвозащитных технологий - «бесплужная обработка сельскохозяйственных культур». К данным технологиям и относится так называемое ранневесен-нее боронование, которое входит во все ресурсосберегающие технологические процессы по возделыванию продукции растениеводческого комплекса [1].
После схода снега на поверхности почвы возникает почвенная корка. Она работает по принципу насоса, который подводит влагу из низких почвенных горизонтов к их верхним слоям. Вся влага, которая оказалась на поверхности, сразу же испаряется за счёт солнечных лучей и потоков ветра. Таким образом, за один день с 1 квадратного метра поля в среднем испаряется до 100 литров почвенной влаги [2].
Чтобы предотвратить это негативное явление в верхнем пласте почвы необходимо всегда разрушать образующиеся капилляры. Одновременно, при наступлении тепла активизируются вредители, а также болезни, обитающие в верхних слоях. Сорные растения начинают усиленный рост, что в будущем приведет к угнетению культурных растений. Таящий снежный покров также вызывает появление небольших ручейков, формирующих бороздки и небольшие наносы [3].
Для усиления борьбы с этими негативными явлениями должно своевременно проводиться ранневесеннее боронование, которое должно обеспечить: полное разрушение почвенной корки, полное рыхление верхнего слоя почвенного покрова, полное уничтожение сорной растительности, полное уничтожение вредных микроорганизмов, усиленную активизацию роста озимых и яровых культур.
Данный вариант ресурсосберегающего земледелия является региональным и в почвенно-климатических условиях для Республики Крым требует доработки конструкций рабочих органов борон с учетом особенностей нормы выпадения осадков, особенностей типа почв и рельефа местности. Особое значение приобретает здесь потенциальный риск как водной, так и ветровой эрозии [1].
При этих условиях возникает необходимость в применении и развитии принципов, а также методов бионики. Она является составной частью общей теории систем совместно с экологическим подходом к ресурсосберегающему земледелию [4].
Цель исследований - повышение качества поверхностной обработки почвы в условиях зон рискованного земледелия Республики Крым путем применения методов биосистемного подхода к созданию конструкции рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны БГУР-2,8.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
43
- уточнить агротехнические требования к поверхностной обработке почвы в условиях зон рискованного земледелия;
- по бионическому подобию обосновать конструкцию рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны;
- экспериментально определить изменения качества выполнения технологического процесса поверхностной обработки почвы, для зон рискованного земледелия опытными образцами рабочих органов гибко-ударной ротационной бороны в почвенном канале.
Объектом исследований является технологический процесс поверхностной обработки почвы для зон рискованного земледелия и рабочие органы гибко-ударной ротационной бороны, которые разработаны по бионическому подобию. Поставленные задачи решались методами теории колебаний, классической механики, моделирования, математической статистики, лабораторных исследований. Лабораторные исследования проводились методом сравнительных опытов на специально подготовленной установке почвенного канала с планированием многофакторного эксперимента.
Материал и методы исследований. Применение биосистемного подхода по изучению влияния геометрических особенностей строения биологических прототипов, а также физиологию движения на примере жуков землероев и их потенциальное применение в создании почвообрабатывающих рабочих органов исследовали Jin Tong, Jiyu Sun, Donghui Chen, Shujun Zhang [5]. Учеными было определено, что геометрические особенности строения копательных лапок жуков-носорогов и их динамика движения имеют потенциальное применение в разработке биомиметических изогнутых подвесок, позволяющих создавать вынужденные колебания, что способствует менее энергоёмким процессам обработки почвы.
Применив биосистемный подход на основе системы «почва-растение-атмосфера», можно создавать биомиметически-подобные геометрические формы рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны, которые дадут возможность выполнять адаптивную обработку почв.
Результаты и обсуждение. Поисковые исследования существующих почвообитающих биологических прототипов показали, что особое внимание необходимо уделить обоснованию параметров рабочих органов гибко-ударной ротационной бороны по биомиметически-подобному геометрическому строению отдельных сегментов тела червя (Lumbricina) (рис. 1) с расположенными на их поверхности щетинками, которые зацепляются за стенки подземного хода и не дают телу червя выскользнуть обратно [6].
Результаты анализа особенностей движения червя в почвенном покрове с учетом строения его элементов тела, позволило обосновать рабочие органы гибко-ударной ротационной бороны.
Она содержит (рис. 2) раму 1. Между опорами 2 размещены подвижно соединённые между собой цепные шлейфы 3, на которых имеются рыхлительные зубья 4.
44
Увеличение■ 100 раз 300раз
Рисунок 1. Общий вид сегментов тела дождевого червя
Рисунок 2. Общий вид гибко-ударной ротационной бороны
На кольцах 8 квадратного сечения, расположены зубья 4 в проушине под углом 30° друг к другу (рис. 3, а). Кольца 8 соединены между собой замками 31 круглого сечения (рис. 3, б). Внутренняя поверхность замков 31 имеет форму усечённых полусфер 36, которые соединены с другими усечёнными пустотелыми полусферами 37 промежуточных элементов 33. Крепление выполнено за счёт резьбового соединения 38. Внутри полусфер 36 размещены металлические шары 39.
32
36
39
а)
б)
Рисунок 3. Общий вид шарнирного соединения колец цепного шлейфа: а) сечение кольца; б) сечение замка
45
При движении по полю под действием веса цепного шлейфа 3, совместно с рыхлящими элементами 4 создается минимизация сопротивления почвы при её рыхлении. Колебания цепного шлейфа 3 по неровностям рельефа обрабатываемого пласта почвы внутри замков 31 круглого сечения приводят к возникновению виброударных воздействий приводящих к ответным колебаниям и соударениям металлических шаров 39 по внутренним усечённым пустотелым полусферам 36 и 37. Этот процесс вызывает вибрацию, переходящую от замков 31, к круглым кольцам 8 и далее на рыхлящие элементы 4 - зубья.
Чем больше плотность почвы, тем больше возрастают колебания у цепного шлейфа 3 о поверхность обрабатываемого почвенного пласта. Это приводит к увеличению частоты колебаний шаров 39 в пустотелых полусферах 36 и 37 замков 31. Возникает автоколебательный процесс, обеспечивающий постоянство требуемого времени проникновения рыхлительных зубьев 4 на требуемую глубину обработки почвы в соответствии с агротребованиями.
Экспериментальная проверка основных показателей качества работы рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны БГУР-2,8 в сравнении с серийными рабочими органами мотыги ротационной навесной МРН-6,3С. (рис. 4) выполнялась в условиях почвенного канала, лаборатории «Бионической агроинженерии» кафедры механизации и технического сервиса в АПК, АТА КФУ им. В.И. Вернадского.
а) б)
Рисунок 4. Общий вид канала с исследуемыми рабочими органами, закрепленными на платформе подвижной тележки: а) рабочий орган гибко-ударной ротационной бороны БГУР-2,8; б) рабочий орган мотыги ротационной навесной МРН-6,3С
При проведении многофакторного эксперимента для определения эффективной конфигурации конструкции гибко-ударной ротационной бороны были приняты факторы и пределы их варьирования (табл. 1).
46
Таблица 1. Уровни варьирования факторов
Уровни факторов Факторы
Глубина обработки, см Скорость движения м/с
х2
Лабораторные опыты
Верхний(+1) 12 1,4
Нижний (-1) 4 1,0
Нулевой (0) 8 1,2
Интервал варьирования 4 0,2
Основными не варьируемыми параметрами были: относительная влажность W почвы в канале, которая находилась в пределах 14.. .19 %; твердостьр -124...128 Н/см2; деформационный показатель почвы V- 2,78*107...4,05 х10-7 м2/Н. Основным типом обрабатываемой почвы в канале является чернозем южный карбонатный среднесуглинистый.
Регистрация экспериментальных значений амплитуды и частоты колебаний производилась с применением: ноутбука Lenovo ideapad 310-15 1АР - 1, тензостанции 2ЕТ 017-Т8 - 2, анализатора 2ЕТ017-Ш - 3, двух пьезоэлектрических акселерометров ВС 110 - 5.
С началом перемещения тележки датчик фиксировал сигнал, а затем передавал его на анализатор 2ЕТ017-Ш и тензостанцию 2ЕТ 017-Т8, и далее на ноутбук Lenovo ideapad 310-15 1АР. На ноутбуке установлена специальная программа, которая считывает информацию и записывает её в виде протокола. Данные с протокола переносились в программу, где в последующем уже строились графики изменения тягового усилия, а также графики вибрационных колебаний исследуемых рабочих органов.
После проведения экспериментального прохода рабочего органа гибко-ударной ротационной бороны глубина обработки почвы определялась без учета распушенности почвенного пласта (рис. 5).
Для этого использовалась специальная рейка. Её устанавливали перпендикулярно исследуемой делянке и с помощью мерительной линейки определяли глубину (рис. 6). Глубина исследовалась по 20 различным местам вдоль всего экспериментального прохода. При этом общая допустимая погрешность измерений составила ± 0,5 см.
47
ЩЭГ :
,0000 .
1 1
\ / Лунки
а) б)
Рисунок 5. Экспериментальный проход исследуемыми конфигурациями
рабочих органов: а) гибко-ударной ротационной бороны БГУР-2,8; б) мотыги ротационной навесной МРН-6,3С
Рисунок 6. Определение глубины после прохода исследуемого рабочего органа
Экспериментальные исследования показали, что при рыхлении почвы на глубину 4.. .12 см и скорости движения гибко-ударной ротационной бороны в пределах 1.1,4 м/с для черноземов крымских с влажностью 13,5.19 % удельное тяговое сопротивление возрастает постепенно, в отличии от серийной мотыги ротационной навесной МРН-6,3С. Испытания предлагаемого образца показали, что при его работе степень крошения почвенного пласта повысилась на 16 %, а удельное тяговое сопротивление снизилось на 13 % в сравнении с серийной мотыгой ротационной навесной МРН-6,3С.
48
Однако, основной задачей проведения исследований в почвенном канале было не только определение тягового усилия экспериментальных рабочих органов, но и определение качественных показателей боронования почвы, особенно для зон рискованного земледелия.
Для решения поставленной задачи, в ходе проведения эксперимента в почвенном канале был проанализирован принцип работы исследуемых рабочих органов гибко-ударной ротационной бороны в сравнении с прототипом по качеству рыхления почвенного пласта. При движении в почвенном канале рабочие органы бороны за счет зубьев заглубляют в почву кольца цепного шлейфа, которые формируют в шахматном порядке прерывистые борозды по форме полусферических лунок. Далее, звенья выглубляются в свободном вращении, тем самым выполняя процесс разрыва почвенного пласта и формирования прерывистой борозды. Это дает возможность образовывать так называемую перемычку в виде стерневого фона. Как результат по всей ширине захвата образовываются прерывистые борозды в виде полусферических лунок, которые в последствии осуществляют задержание как талых, так и дождевых вод, что предотвращает активизацию целого фронта испарения. Так же это приводит к минимизации формирования постоянства в активном подтоке влаги из горизонтов, лежащих ниже формирования лунок (рис. 7).
7>\" 1{1ГЬ * $ СИ
(О
Тих . —
ш
Рисунок 7. Схематическое представление агрофона в трёх проекциях после прохода исследуемых рабочих органов гибко-ударной ротационной бороны
Высота сформированных гребней вокруг лунок находится в диапазоне 2...3 см, что соответствует агротехническим требованиям. Средняя глубина рыхления с учётом высокого коэффициента равномерности при рыхлении составила 82,3 %, а среднее квадратическое отклонение, не превышающее норму (±1 см) варьировалось в пределах заданной 4.8 см, в отличие от серийного аналога рабочих органов мотыги ротационной навесной МРН-6,3С (рис. 8).
49
Г/удина обрсйспхи 4 сн
ЮО
3
I- 6 В
Гщ&м} ¡фо&ягхи 8 сн
т
Гпубша обработки 12 с»
ЮО
По&рхнмл, ют
Рисунок 8. Схематическое представление агрофона в трёх проекциях после прохода исследуемых рабочих органов мотыги ротационной навесной
МРН-6,3С
Ранее сформированная почвенная корка была разрушена именно в зонах прохода рыхлительных зубьев с кольцами, где, в последствии, и образовывались полусферические лунки. Распыление почвенных агрегатов было незначительным до 32,3 %.
Производительность гибко-ударной ротационной бороны с шириной захвата 2,8 м по результатам испытаний составила 2,8 га/ч при рабочих скоростях 10.12 км/ч. Забивание и залипание рабочих органов на гибко-ударной ротационной бороне не наблюдалось.
По результатам испытаний рабочие органы гибко-ударной ротационной бороны соответствуют требованиям основных технических условий по показателям назначения, надёжности и безопасности обработки почвы в зонах рискованного земледелия Республики Крым.
Выводы. На основании усовершенствованной в результате биосистемного подхода, функциональной схемы по биомиметически-подобному геометрическому строению отдельных сегментов тела червя ^итЬгюта), разработана новая конструкция рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны БГУР-2,8 (патент на изобретение РФ № 2 628 577).
Результаты полученных лабораторных исследований показывают, что по всей ширине захвата рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны образовываются прерывистые борозды в виде полусферических лунок, которые осуществляют задержание как талых, так и дождевых вод, что предотвращает активизацию целого фронта испарения, а также приводит к минимизации формирования постоянства в активном подтоке влаги из горизонтов, лежащих ниже формирования лунок.
50
При рыхлении почвы на глубину 4.12 см и скорости движения гибко-ударной ротационной бороны в пределах 1.1,4 м/с для черноземов крымских с влажностью 13,5.19 % удельное тяговое сопротивление возрастает постепенно, в отличии от серийной мотыги ротационной навесной МРН-6,3С. Следовательно, применение рабочих органов для гибко-ударной ротационной бороны позволяет улучшить процесс создания прерывистых борозд в форме лунок, повысить водопроницаемость верхнего, обработанного слоя почвы и его сопротивляемость порывам ветра поля с выдерживанием всех агротехнологических требований предъявляемых к боронованию почвы в условиях зон рискованного земледелия Республики Крым.
Список использованных источников:
1. Ергина Е.И., Тронза Г.Е. Современное почвенно-экологическое состояние Крымского полуострова // Учёные записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. География. Геология. Том 2 (68). № 3. -Симферополь, 2016. - С. 196-196.
2. Кушнарев А.С., Кочев В.И. Механико-технологические основы обработки почвы. - К. Урожай, 1989. - 144с.
3.Бурченко П.Н. Механико-технологические основы почвообрабатывающих машин нового поколения. - М.: ВИМ, 2002. - 292 с.
4. Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В., Куклин В.А. Создание конструкций противоэрозионных почвообрабатывающих машин по аналогии с прототипами живой природы // Федеральный деловой аграрный журнал НИВА плюс. - Симферополь, 2017. -№ 1-2. - С. 28-31.
5. Jin Tong, Jiyu Sun, Donghui Chen, Shujun Zhang. Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering applications in tillage implements. Soil & Tillage Research 80 (2005) 1-12.
6. Земляные черви. Материал из Википедии — свободной энциклопе-
References:
1. Ergina E.I., Tronza G.E. Modern soil and ecological state of the Crimean peninsula // Scientific notes of the Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky. Geography. Geology. Volume 2 (68). No. 3. - Simferopol, 2016. - P. 196-196.
2. Kushnarev A.S., Kochev V.I. Mechanical and technological bases of soil cultivation. - K. Harvest, 1989. -144 p.
3. Burchenko P.N. Mechanical and technological fundamentals of new generation tillage machines. - M .: VIM, 2002. - 292 p.
4. Babitsky L.F., Sobolevsky I.V., Kuklin V.A. Creation of designs of antierosion tillage machines by analogy with prototypes of wildlife // Federal business agricultural journal NIVA plus. -Simferopol, 2017. - No. 1-2. - P. 28-31.
5. Jin Tong, Jiyu Sun, Donghui Chen, Shujun Zhang. Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering applications in tillage implements. Soil & Tillage Research 80 (2005) 1-12.
6. Earthworms. Material from Wikipedia - the free encyclopedia [Electronic resource] URL: https://
51
дии [Электронный ресурс] URL: https:// ru.wikipedia.org/wiki/ Земляные_черви (дата обращения: 16.09.2021).
7. Бабицкий, Л.Ф., Москалевич В.Ю., Соболевский И.В. Основы бионических исследований: учебник //. -Симферополь: ЧП «Антиква», 2014. -328 с.
8. Babitsky L F, Sobolevsky I V, Kuklin V A 2020 Bionic modelling of the working bodies of machines for surface tillage IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 488 (2020) 012041 IOP Publishing doi:10.1088/1755-1315/488/1/012041.
9. Гибко-ударная борона: пат. 2628577 Рос. Федерация. № 2016114115; заявл. 12.04.2016; опубл. 21.08.2017 - Бюл. № 24. - 15 с.
ru.wikipedia.org/wiki/ Earthworms (date accessed: 16.09.2021).
7. Babitsky L.F., Moskalevich V.Yu., Sobolevsky I.V. Fundamentals of bionic research: textbook //. - Simferopol: PE "Antikva", 2014. - 328 p.
8. Babitsky L.F., Sobolevsky I.V., Kuklin V.A. 2020 Bionic modeling of the working bodies of machines for surface tillage IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 488 (2020) 012041 IOP Publishing doi: 10.1088 / 1755-1315 / 488/1/012041.
9. Flexible-shock harrow: US Pat. 2628577 Rus. Federation. No. 2016114115; declared 04/12/2016; publ. 08.21.2017 - Bul. No. 24. - 15 p.
Сведения об авторе:
Соболевский Иван Витальевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технических систем в агробизнесе института «Агротехнологической академии» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», e-mail:sobolevskii-inan@mail.ru., 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И.Вернадского».
Information about the author:
Sobolevsky Ivan Vitalievich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological Academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail:sobolevskii-inan@mail.ru., Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
52
