CC BY
26УДК 631.314:612
ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ УПРУГИМИ 8-ОБРАЗНЫМИ СТОЙКАМИ С РЕГУРУЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ КУЛЬТИВАТОРА-ПЛОСКОРЕЗА КПП-3
Соболевский И. В., кандидат технических наук, доцент, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского».
Статья раскрывает новый системный подход на основе бионики к обоснованию элементов конструкци-иупругих Е-образных стоек с регулируемой жесткостью рабочих органов культиватора-плоскореза КПП-3, которые позволяют сохранить устойчивость хода по дну борозды и использовать их на почвах в широком диапазоне глубин с выдерживанием всех агротехнологических требований предъявляемых к поверхностной обработке почвы.
Ключевые слова: упругие Б-образ-ные стойки, биологический прототип, животные-землерои, жук-носорог, медведка, профилограмма, глубина.
QUALITY RESEARCHSURFACE SOIL TREATMENT ELASTIC S -SHAPED STANDS WITH ADJUSTABLE RIGIDITY OF THE CULTIVATOR-FLAT CUTTER KPP-3
Sobolevsky I. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The article reveals a new systematic approach based on bionics to the substantiation of structural elements of elastic S-shaped racks with adjustable rigidity of the working bodies of the KPP-3 plane-cutter cultivator, which allows maintaining stability of movement along the bottom of the furrow and using them on soils in a wide range of depths withstanding all agrotechnological requirements presented to surface tillage.
Key words: elastic S-shaped racks, biological prototype, digging animals, rhinoceros beetle, bear, profilogram, depth.
Введение. В Крыму вомногих хозяйствах применяются перспективныере-сурсосберегающе технологии минимальной обработки почвы. Одним из основных направлений минимальной обработки почвы является замена основных видов обработок поверхностными, для которых базойявляются широкозахватные плоскорежущие рыхлители.
Анализ функционирования плоскорежущих рыхлителей на жестких и упругих стойках показал, что технически и экономически выгодными являют-
106
ся почвообрабатывающие рабочие органы, закреплённые на упругих стойках [1].
Н.В. Бугайченко при изучении движения колеблющихся рабочих органов установил, что крепление культиваторных лап к раме через упругую подвеску обеспечивает вибрацию лезвий в продольном направлении, что улучшает качественные показатели [2].
А.Г. Рябцев занимался исследованием процессов влияния упругой подвески лап культиватора на энергетические и агротехнические показатели их работы [3]. Им было установлено, чтов процессе работы тяговое сопротивление лапы на упругой стойке уменьшалось в среднем на25.. .32%.
При работе на тяжелых почвах высокой плотности, с малыми глубинами рыхления,качество обработки почвы рабочими органами, закрепленными на упругих стойках,было лучше чем на жестких. При этом снижалось залипание культиваторных лап почвой в сравнении с жесткой стойкой набО.. .70%, а также обеспечиваласьменьшаягребнистость поверхности поля. Но, с увеличением глубины обработки снижался положительный эффект упругой стойки. Рабочие органы культиватора на упругой стойке отклонялись от установленной глубины обработки на 10...15% больше, чем на жесткой подвеске, что не соответствовало равномерности рабочего хода по глубине в соответствии с агротребо-ваниями[1, 3].
Поэтому актуальными являются поиски научно-обоснованных путей решения задач повышения эффективности работы агрегатов поверхностной обработки почвы, на базе культиваторов-плоскорезов с упругими стойкамина основе системного бионического подхода с применением механики движения роющих конечностей прототипов животных-землероев[4, 5].
Цель исследований -повышение качества поверхностной обработки почвы путем применения методов биосистемного подхода к созданию конструкции упругих Б-образных стоек с регулируемой жесткостьюдля рабочего органа культиватора-плоскореза.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
- уточнить агротехнические требования к поверхностной обработке почвы;
- по бионическому подобию обосновать конструкцииупругих Б-образных стойках с регулируемой жесткостью для рабочего органа культиватора-плоскореза;
- экспериментально определить изменения качества выполнения технологического процесса поверхностной обработки почвыопытными образцами рабочих органов культиватора-плоскореза закреплённого на упругих Б-образных стойках с регулируемой жесткостью в почвенном канале.
Объекты и методы исследований. Объектом исследований является технологический процесс поверхностной обработки почвы и упругие Б-образные стойки с регулируемой жесткостью для культиватора-плоскореза, которые раз-
107
работаны 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. Особый интерес в использовани-ибиосистемного подхода для изучения влияния геометрических особенностей строения биологических прототипов на примере жуков землероев и их потенциальное применение в обработке почвы исследовали ЛпТоп§, ЛуиБип, Бо^ЬшСЬеп, 8Ьщип2Ьап§ [6]. Они выяснили, что геометрические особенности строения копательных лапок жуков-носорогов и их динамика движения имеют потенциальное применение при обработке почвы биомиметическими изогнутыми подвесками почвообрабатывающих рабочих органов. Даннаябио-ническая форма позволяетсоздавать вынужденные колебания, что способству-етменее энергоёмкому рыхлению почвы. Для этого применив биосистемный подход на основе системы «почва-растение-атмосфера», можно обосновать оптимальные геометрические формы упругих Б-образных стоек с регулируемой жесткостью.
Результаты и обсуждение. Поисковыеисследования существующих биологических прототипов животных-землероев показали, что особое внимание заслуживает обоснование параметровупругих Б-образных стоек с регулируемой жесткостью по подобию копательных типов лапокудвух биологических прототипов жука-носорога обыкновенного (Опйевпавюогшв^ медведки (Сгу1Ыа1р1аае) [7, 8].
Лапка (1) у жуков-землероевобладает особой рыхлительной способностью (рис. 1, а, б), но при этом опорно-двигательным аппаратом для копающей лапки служат: бедро(2); голень(З); вертлуг(4); тазик (5).
Рисунок 1. Общий вид копательных лапок: а) жука-носорога обыкновенного (Опйезпазкогшз) и б) медведки (Gryllotalpidae): 1 - лапка; 2 - бедро; 3 - голень; 4 - вертлуг; 5 - тазик
108
В процессе бионического исследования определено характерное строение копательных лапок у жука-носорога обыкновенного (Оййевпавюогшв) (рис. 2). Он обитает в поверхностном рыхлом слое, который состоит из отходов корневой системы деревьев и почвы. Твердость такого мульче-образующегося слоя почвы минимальна, поэтому для рыхления жук использует передние копатель-ные лапки с зубчиками, имеющими жёсткое соединение с широкой голенью. В качестве рычага он использует бедро - хорошо развитый членик. Особую подвижность и упругость лапки с голенью в процессе рыхления обеспечивает вертлуг, объединяющий бедро и тазик. Жук совершает упругое возвратно поступательное движение копательной лапкой при рыхлении почвы. Такое конструктивно-биологическое строение копательных лапок ярко отображается в аппроксимации устройства упругой Б-образной стойки с минимальной жёсткостью и характеризуется зоной - А (рис. 2, а).
Рисунок 2. Аппроксимация зон боковых поверхностейкопательных лапок на упругую 8-образную стойку с минимальной жесткостью: а) общий вид стойки культиватора плоскореза; б) зона- А у лапки жука-носорога обыкновенного (Опйешансогшв);
в) общий вид упругой 8-образной стойки Представленное техническое средство для обработкипочвы содержит жесткое болтовое соединение к раме 1 двух упругих Б-образных стоек 2 с плоскорежущими рабочими органами 3 (рис. 2, а). При переменном сопротивлении почвы упругие Б-образныестойки с плоскорежущими рабочими органами совершают вынужденные колебания, что приводит к улучшению качества крошения почвы и снижению тягового сопротивления. Однако, при увеличении глубины обработки почвы сопротивление возрастает, что приводит к увеличению амплитуды колебанийБ-образных стоек. Возрастающееотклонение от установленной глубины обработкиплоскорежущими рабочими органамине обеспечивает сохранение оптимальной геометрий резания обрабатываемого пласта почвы.
_1Ч1 Л
а)
б)
в)
109
Анализ строения другого биологического прототипа - копательной лапки медведки (Gryllotalpidae) показал отличительные особенности в её строении по сравнению с лапкой жука-носорога обыкновенного (Ог^евпавюогшв). В отличие от жука-носорога медведка обитает в почве на глубине до двух метров. И для этого ей нужны мощные копательные лапки. Их отличительная особенность - массивное бедро, которое выполняет одновременно возвратно-поступательное и полукруговое движения. При этом его амплитуда ограничена как в продольной, так и в поперечной плоскости 30 градусами [9].
Если бедро с голенью начинают откланяться на большую амплитуду, то это может привести к отрыву лапки и травме медведки. Поэтому, в качестве предохранителя у медведки в верхней части конечности используется упругое ограничение в движении обеспечиваемое мощным тазиком и вертлугом, характеризуемое зоной - Б (рис. 3, б). Данное конструктивно-биологическое решение позволяет рыхлить почву без критического увеличения амплитуды колебаний, что способствует постоянству автоколебательного процесса при переменном сопротивлении почвы.
Аппроксимированное техническое средство для обработки почвы на основе бионического прототипа копательной лапки медведки содержит жесткое болтовое соединение к раме 1 двух упругих Б-образных стоек 2 с плоскорежущими рабочими органами 3 [10]. При этом в качестве устройств изменяющих жесткость стоек используются упругие пластины 4 с жестким шарнирным соединением в двух точках Б-образных стоек (рис. 3 а, в). Причем, для улучшения процесса рыхления в данное устройство заложены два ударника 5и6.
.¿хп Ь
Рисунок 3. Аппроксимация зон боковых поверхностей копательных лапок
на упругую 8-образиую стойку с регулируемой жесткостью: а) общий вид стойки культиватора плоскорезас регулируемой жесткостью; б) зона - Б у лапки медведки (Gryllotalpidae); в) общий вид упругой 8-образной стойки с регулируемой жесткостью
При обработке почвы на упругие а-образные стойки 2 с плоскорежущими
110
рабочими органами 3 действует переменная сила сопротивления почвы. Плоскорежущие рабочие органы 3 начинают совершать колебательные движения за счёт неравномерного характера разрушения почвы при её рыхлении. Витки Б-образных пружинных стоек расположенные в зонах А и Б, как упругие элементы, начинают прогибаться в направлении противоположном движению рабочих органов. При малом сопротивлении почвы прогиб витков Б-образных стоек будет незначительный, а амплитуда колебаний будет соответствовать нормативным значениям равномерности хода рабочего органа по глубине.
С увеличением глубины рыхления и, как следствие, сопротивления почвы возникает прогиб в зонах А и Б витков стойки. Стабилизацию жёсткости (её увеличение) и ограничение амплитуды витков начинают обеспечивать установлены упругие пластины 4 с жестким шарнирным соединением в двух точках. Между двумя ударниками 5 и 6 и витками стоек возникают ударные импульсы, которые усиливают эффект снижения силы сопротивления Р, при движении рабочего органа, за счёт увеличения частоты и малой амплитуды колебаний в почве.
Экспериментальная проверка основных показателей качества работы упругих Б-образных стоек с регулируемой жесткостью для культиватора-плоскореза на базе КПП-Зпо равномерности глубины хода (рис. 4) выполнялась в условиях почвенного канала, лаборатории «Бионической агроинженерии» кафедры механизации и технического сервиса в АПК, АБиП КФУ им. В.И. Вернадского.
Рисунок 4. Общий вид канала с исследуемым рабочим органом КПП-3 закрепленным на платформе подвижной тележки: а) рабочий орган перед проходом; б) рабочий орган после экспериментального прохода на глубине 12 см
При проведении многофакторного эксперимента для определения эффективной конфигурации были приняты факторы и пределы их варьирования (табл. 1).
Так же для сравнения были проведены экспериментальные исследования с аналогичным плоскорежущим рабочим органом КПП-3, но на серийной конфигурации упругих стоек.
Таблица!. Уровни варьирования факторов
Уровни факторов Факторы
Глубина обработки, см Скорость движения м/с
X Х2
Лабораторные опыты
Верхний (+1) 12 1,6
Нижний (-1) 4 0,6
Нулевой (0) 8 1,1
Интервал варьирования, <5, 4 0,5
Основными не варьируемыми параметрами были: относительная влажность почвы Ш в канале, которая находилась в пределах 13,5... 15%; твердость р - 121...129 Н/см2; деформационный показатель почвы V - 2,68*107...4,05 х10" 7 м2/Н. Тип обрабатываемой почвы - чернозем южный карбонатный среднесуглинистый.
Регистрация экспериментальных значений амплитуды и частоты колебаний (рис. 5) осуществлялась с помощью ноутбука Lenovoideapad 310-15 1АР - 1, тензостанции 2ЕТ 017-Т8 - 2, анализатора 2ЕТ017-Ш - 3, двух пьезоэлектрических акселерометров ВС 110-5.
Рисунок 5. Экспериментальное оборудование: а) платформа с регистрирующим оборудованием; б) стойка рабочего органа с пьезоэлектрическим акселерометром
ВС 110-5
Для подтверждения качества работы упругих Б-образных стоек с регулируемой жесткостью в сравнении с серийными стойками, после каждого прохода определялся профиль дна борозды (рис.6).
Для этого вдоль всего рабочего прохода снимался верхний пласт обработанной почвы. После этого с интервалом 10 см и двадцатикратной повторно-стьюпзамеряласьглубина обработки Ь (см).
112
а) б)
Рисунок 7. Общий вид профилограммы дна борозды при глубине обработки 4 см: а) скорость 0,6 м/с; б) скорость 1,6 м/с К^н Ьш
Рисунок 6. Определение профиля дна борозды после прохода рабочего органа культиватора КПП-3 закреплённого на упругих 8-образных стойках с регулируемой жесткостью
Для выбора рационального значениятребуемой конфигурации стойки были построены профилограммы равномерности хода плоскорежущего рабочего органа в почвенном горизонте во время рабочего процесса для трех глубин в диапазоне от 4 см до 12 см и двух значений скоростей 0,6 м/с и 1,6 м/с (рис. 7-9).
I I 1 t I ■ I I Г1||ВНН£1?||1<|| LII - II 1 I lllDIIIllllt^ ™ir^m- «{Mwita Q —г"II -г^^^лк^ ц
а) б)
Рисунок 8. Общий вид профилограммы дна борозды при глубине обработки 8 см: а) скорость 0,6 м/с; б) скорость 1,6 м/с
Ь^м Ъсы
Рисунок 8. Общий вид профилограммы дна борозды при глубине обработки12 см: а) скорость 0,6 м/с; б) скорость 1,6 м/с
Анализируя данные профилограмм можно утверждать, что при обработке почвы на глубину 4 см серийными и экспериментальными стойками агротехнические требования, при условии отклонения 1.. ,2 см выполняются. Однако, при увеличении глубины обработки до 8 см на скоростяхрабочего органа КПП-Зот 0,6 до 1,6 м/с у серийных стоек отклонение превысило допустимые значения равномерности хода рабочих органов по глубине от 2,5 до 3 см. Экспериментальные стойки с регулируемой жесткостью выполняли технологический процесс при таком диапазоне скоростей в соответствии с агротребованиями. Отклонение было незначительным в пределах 0,8 см. При обработке почвы на глубину 12 см серийные стойки показали значительные отклонения до 4 см, что характеризует их отрицательное применение на таких глубинах. После прохода на глубине 12 см в диапазоне скоростей от 0,6 до 1,6 м/с отклонение у экспериментальных стоек с регулируемой жесткостью также было не значительным и находилось в диапазоне 1,2.. .1,5 см.
Выводы. На основании усовершенствованной в результате биосистемного подхода, функциональной схемы по бионическому подобиюкопательных ла-покмедведки (Gryllotalpidae), разработана новая конструкция упругих Б-образ-ных стойках с регулируемой жесткостью для рабочих органов культиватора плоскореза КПП-3 (патент на изобретение РФ №2 641 524).
Результаты полученных лабораторных исследований показывают, что с увеличением глубины обработки от 8 до 12 см серийные стойки культиватора плоскореза КПП-3 в связи с перемещением носка лапы под действием сил сопротивления почвы значительно отклоняются от заданной глубины обработки, что не соответствует агротребованиям. Следовательно, применение в конструкции культиваторов-плоскорезов упругих Б-образных стойках с регулируемой жесткостью позволяет использовать их на почвах в широком диапазоне глубин с выдерживанием всех агротехнологических требований предъявляемых к поверхностной обработке почвы.
114
Список использованных источников:
1. Федоров С.Е., ЧаткинМ.Н., Костин A.C. Классификация и анализ автоколебаний рабочих органов культиваторов II Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. Сборник научных трудов Международной конференции - Саранск : Издательство Мордовского университета, 2014. С. 550-552.
2. Бугайченко Н.В. Обоснование параметров полольных лап культиваторов для работы на повышенных скоростях в зонах недостаточной увлажненности: дис. ... канд. техн. наук.
- Киев, 1964. - 146 с.
3. Рябцев Г.А. Влияние упругой подвески лап на энергетические и качественные показатели работы: дис. канд. техн. наук, Мелитополь, 1967.
- 377 с.
4.Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В. обоснование параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин для минимальной обработки почвы II.В книге: Агробиологические основы адаптивно-ландшафтного ведения сельскохозяйственного производства Сборник тезисов докладов участников Российской теоретической и научно-практической, юбилейной конференции, посвященной 100-летию создания Академии биоресурсов и природопользования. 2018. С. 99-104.
5. Соболевский И.В. Обоснование конструкции почвообрабатывающих рабочих органов дисковой бороны II Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2019. № 19 (182). С. 73-84.
6. Jin Tong, Jiyu Sun, Donghui Chen,
References:
1. Fedorov S.E., Chatkin M.N., Kostin A.S. Classification and analysis of self-oscillations of the working bodies of cultivators II Energy-efficient and resource-saving technologies and systems. Proceedings of the International Conference - Saransk: Publishing House of Mordovia University, 2014. S. 550552.
2. Bugaychenko N.V. Justification of the parameters of the complete paws of cultivators for working at high speeds in areas of insufficient moisture: dis. ...
cand.tech. sciences. - Kiev, 1964 . - 146 p.
3. Ryabtsev G.A. The effect of elastic paw suspension on energy and quality performance: dis. Cand. tech. Sciences, Melitopol, 1967. - 377 p.
4. Babitsky L.F., Sobolevsky I.V. substantiation of the parameters of the working bodies of tillage machines for minimal tillage II In the book: Agrobiological foundations of adaptive landscape agricultural production A collection of abstracts of participants in the Russian theoretical and scientific-practical, anniversary conference dedicated to the 100th anniversary of the Academy of Biological Resources and Environmental Management. 2018.S. 99-104.
5. Sobolevsky I.V. Justification of the design of tillage working bodies of the disk harrow II News of agricultural science of Tauris. 2019.No 19 (182). S. 73-84.
6. Jin Tong, Jiyu Sun, Donghui Chen, Shujun Zhang. Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering
115
Shujun Zhang. Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering applications in tillage implements.
Soil&TillageResearch 80 (2005) 1-12.
7.Жук-носорог. МатериализВи-кипедии — свободнойэнциклопедии [Электронныйресурс] URL: https:// ru.wikipedia.org/wiki/Жук-носорог (датаобращения: 04.03.2020).
8. Обыкновенная медведка. Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Обыкновенная медведка (дата обращения: 04.03.2020).
9. Бабицкий, Л.Ф.,Москале-вичВ.Ю., Соболевский И.В. Основы бионических исследований: учебник II. - Симферополь: ЧП «Антиква», 2014.-328 с.
10. Культиватор: пат. 2641524 Рос. Федерация. № 2016115867; заявл. 22.04.2016; опубл. 18.01.2018 Бюл. № 2. 12с.
applications in tillage implements. Soil & Tillage Research 80 (2005) 1-12.
7. Rhinoceros beetle. Material from Wikipedia - the free encyclopedia [Electronic resource] URL: https: II ru.wikipedia.org/wiki/Zhuk- Rhinoceros (accessed: 03.03.2020).
8. The common bear. Material from Wikipedia - the free encyclopedia [Electronic resource] URL: https:// ru.wikipedia.org/wiki/ Ordinary bear (dateofaccess: 04.03.2020).
9. Babitsky, L.F., Moskalevich V.Y., Sobolevsky I.V. Fundamentals of bionic research: a textbook II. - Simferopol: PE MAntikva",2014.-328p.
10. Cultivator: US Pat. 2641524 Ros.Federation.No. 2016115867; declared 04/22/2016; publ. 01/18/2018 Bull.No. 2.12 p.
Сведения об авторе:
Соболевский Иван Витальевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК, Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Республика Крым, г. Симферополь, пгт. Аграрное, е-таП:ка^теЬ@ rambler.ru.
Information about author:
Sobolevsky Ivan Vitalyevich -Associate Professor, Ph.D., Associate Professor of the Department of Mechanization and Technical Service in the AIC,Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe
116
