Измерительное средство для определения сопротивления почвы при погружении в нее плунжеров с наконечниками Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

nipumu™

— АГРОНАУКА

УДК 631.42.620.178

И.М. Киреев, зав. лабораторией, вед. науч. сотрудник, д. т. н.,

З.М. Коваль, главный научный сотрудник, канд. техн. наук, е-mail: zinakoval@mail.ru

Новокубанский филиал ФГБНУ «Росинформагротех» (КубНИИТиМ), г. Новокубанск

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВЫ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ В НЕЕ ПЛУНЖЕРОВ С НАКОНЕЧНИКАМИ

Физико-механические свойства почвы играют существенную роль не только при анализе операций по обработке почвы, но и при рассмотрении биологических явлений в ней [1].

Для оценки условий в почве очень важной является характеристика сопротивления почвы вхождению в нее какого либо тела в форме (цилиндра, конуса, шара, клина и других), которая отражает сопротивление, испытываемое почвообрабатывающими орудиями при обработке почвы и выражается в кг/см2 [2].

При проникновении таких наконечников в почву происходит раздвижение почвенных частиц и микро-, а также макроагрегатов. Идет процесс уплотнения почвы. Сопротивление почвы вхождению наконечника плунжера находится в прямой и тесной зависимости от ее плотности. Но это не определяет плотность почвы, так как плотность характеризует количественное соотношение фаз в почве, величину ее общей пористости, ее структуру, а сопротивление почвы вхождению плунжера является показателем механических свойств почвы как объекта для обработки сельскохозяйственными машинами и орудиями. Сопротивление при погружении наконечника плунжера в почву может претерпевать значительные колебания в зависимости от различной плотности и влажности имеющих место на различных слоях [1]. При внедрении конусного зонда происходят разнообразные процессы: уплотнение почвы, деформации сдвига, а также трение металла о почву. Поэтому получаемый параметр несет в себе разнообразную информацию и в большинстве случаев важен как самостоятельная величина - сопротивление пенетрации. Определение сопротивления пенетрации проводят специальными приборами - пенетрометрами, которые ранее назывались твердомерами [1, 3].

Традиционно до сих пор в почвоведении в отношении сопротивления пенетрации используют и термин «твердость почвы». Таким образом, сопротивление пенетрации и твердость - термины-аналоги, но использование термина «сопротивление пенетрации» более физически строго, так как твердость - сопротивление материала вдавливанию или царапанию - не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности материала, так и от метода измерения [1].

Например, в конструкции устройства ВИСХОМа положен принцип сжатия пружины под влиянием сопротивления, оказываемого почвой плунжеру [1, 3]. Вращением рукоятки твердомера погружают плунжер в почву на заданную глубину. Для извлечения плунжера из почвы рукоятку вращают в обратную сторону.

Глубина погружения плунжера в почву определяется по миллиметровым делениям, нанесенным на внешней стенке стойки. Процесс контроля твердости почвы осуществляется самопишущим приспособлением. Недостатками устройств типа ВИСХОМа и других приборов являются трудоемкость и ограниченность их использования для получения мониторинга характеристик поля в системе точного земледелия [1].

С целью автоматизации процесса измерения сопротивления почвы пенетрации в КубНИИТиМ разработан электромеханический принцип погружения в почву плунжера с наконечниками [4]. Общий вид измерительного средства сопротивления почвы пенетрации ИП-271 приведен на рисунке 1 [4].

№6 август 2019

А1РЦФОРУМ

Рисунок 1.

Общий вид измерителя

сопротивления почвы

пенетрации ИП-271

1. корпус с опорным устройством;

2. аккумуляторная батарея;

3. направляющая каретка с тензометрическим датчиком;

4. аварийный выключатель;

5. реверсивный мотор-редуктор;

6. плунжер;

7. шток;

8. кожух зубчатой рейки -ручка;

9. электронный блок с пультом управления и микроконтроллерным СЗУ;

10. инкрементальный энкодер осевого типа (датчик угла поворота);

11. шестерня;

12. зубчатая рейка;

13. оптопарные датчики;

14. кронштейн с прижимными роликами;

15. кронштейн с колесами.

Рисунок 2. Общий вид плунжеров

Общий вид плунжеров измерителя сопротивления почвы пенетрации ИП-271 приведен на рисунке 2.

Параметры плунжеров, показанных на рисунке 2, приведены в таблице 1.

Методика измерения сопротивления почвы пенетрации заключалась в следующем.

Перед началом проведения работ измерительные средства подготавливались к работе. Электрические кабели питания (аккумуляторной батареи) ИП-271 соответствующими разъемами соединялись с мотор-редуктором, инкрементальным энкодером,

тензометрическим датчиком и электронным блоком. Проверялось взаимодействие электромеханических и электронных средств у ИП-271. На механическом твердомере ИП-232 ручного принципа действия выставлялась в нулевое положение по шкале лимба стрелка - указатель твердости почвы.

Подготовленный к работе ИП-271 с соответствующим типом плунжера устанавливался на поверхность почвы в вертикальном положении и включался электронный блок.

С помощью клавиш «|» или «I» выбирался пункт меню

«Измерение» и нажималась клавиша «БЫТ». Плунжер перемещается из верхнего в нижнее положение. Текущие значения усилия и глубины погружения высвечивались на дисплее и через каждые 10 мм фиксировались для последующей записи в энергонезависимую память (БББРКООМ). После завершения погружения плунжера в почву нажималась клавиша «БЫТ» для сохранения результата опыта и возвращения в исходное положение.

Обработка результатов измерений осуществлялась в лаборатории с помощью программы ТУБКР на ПК.

дтнли™

ш, АГРОНАУКА

Таблица 1

Параметры плунжеров

Плунжеры конической формы

Номер плунжера Площадь поперечного сечения основания Б, см2 Высота И, мм Диаметр основания ^ мм Угол при вершине конуса,

1 6,29 85,0 28,3 15

2 6,29 45,0 28,3 30

3 6,29 30,0 28,3 45

4 6,29 25,0 28,3 60

5 6,29 15,0 28,3 90

7 2 46 16 20

8 2 31 16 30

9 2 15.4 16 55

10 2 8 16 90

12 1,5 25,5 14 30

13 1,5 12,0 14 60

14 1,5 7,0 14 90

16 1,0 32,5 11,3 20

17 1,0 20,6 11,3 30

18 1,0 9,7 11,3 60

19 1,0 5,8 11,3 90

21 0,5 17,5 8 25

22 0,5 9,25 8 45

23 0,5 6,68 8 60

Плунжеры полуэллипсоидной формы

Номер плунжера Площадь поперечного сечения основания Б, см2 Высота И, мм Диаметр основания ^ мм Большая полуось Ь/малая полуось а, мм

25 12,56 28,3 40 1,4

26 9,07 28,3 34 1,66

27 6,29 28,3 28,3 2

28 6,29 20,0 28,3 1,4

30 1,0 11,3 11,3 2

31 1,0 8 11,3 1,4

32 1,0 7,9 11,3 1,4

Плунжеры в форме полусферы

29 6,29 14,15 28,3 1

33 1,0 5,65 11,3 1

Плунжеры цилиндрической формы

Номер плунжера Площадь поперечного сечения основания Б, см2 - Диаметр основания ^ мм -

6 6,29 - 28,3 -

11 2 16

15 1,5 14

20 1,0 - 11,3 -

24 0,5 8

После завершения измерения измерительным средством ИП-271 на то же место устанавливался механический твердомер ИП-232 ручного принципа действия.

Для исключения возможного поднятия прибора, оператор ногами становился на поверхность опорных стоек твердомера.

Вращательными движениями ручки прибора по часовой стрелке оператор приводил в действие шток с конусным плунжером на конце. Погрузив шток на 5 см (указатель глубины расположен на корпусе твердомера), оператор останавливал вращение ручки, смотрел показания на шкале лимба твердомера ИП-232. Значения твердости записывались в ведомость другим оператором. Дальнейшие измерения проводились аналогично через каждые 5 см [5].

Диапазон измерений данного твердомера по глубине до 35 см, по шкале твердости до 60 Па.

В лаборатории ведомость обрабатывалась, находилось среднее значение по каждому слою и по повторностям. Показатели твердости переводились в МПа.

Лабораторно-полевые исследования по определению измерения сопротивления почвы пенетра-ции электронно-механическим средством

ИП-271 в сравнении с механическим твердомером ИП-232 ручного принципа действия проводились на агротехническом фоне после обработки почвы культиватором при температуре окружающей среды от 26,7 °С до 28,3 °С и температуре почвы 23,4 °С, относительной влажности воздуха до 60 % и влажности исследуемых почв от 13 % до 20 % (при температуре почвы 23,4 °С).

№6 август 2019

АП'ОФиРУМ

Рисунок 3. Сравнительные данные по определению измерения сопротивления почвы пенетрации электронно-механическим средством ИП-271 в сравнении с механическим твердомером ИП-232 ручного принципа действия

(плунжер конической формы с углом при вершине 20 ...0 и площадью поперечного сечения 1,0 см2)

Рисунок 4. Сравнительные данные средних значений твердости почвы от глубины погружения в нее плунжеров в форме конуса, полусферы и цилиндра с площадью поперечного сечения 1,0 см2

Ряд 1 - Средние значения результатов измерений твердости почвы в зависимости

от глубины погружения плунжера конической формы в почву ИП-271.

Ряд 2 - Средние значения результатов измерений твердости почвы в зависимости

от глубины погружения плунжера в форме полусферы в почву ИП-271.

Ряд 3 - Средние значения результатов измерений твердости почвы в зависимости

от глубины погружения плунжера цилиндрической формы в почву ИП-271.

Ряд 4 - Средние значения результатов измерений твердости почвы в зависимости

от глубины погружения плунжера конической формы в почву механическим

твердомером ИП-232.

Результаты обработки данных измерений представлены в виде графических зависимостей на рисунках 3 и 4.

Из данных рисунка 3 следует, что разные значения показаний твердости почвы (Ряд 1) и (Ряд 2) при погружении плунжера одинаковой конической формы и площади поперечного сечения объясняются тем, что ручным способом невозможно обеспечить постоянную скорость заглубления

плунжера в почву. Такое различие показаний объясняется присутствием человеческого субъективного фактора.

На рисунке 4 показано, что при погружении в почву плунжеров различной формы (Ряд 1-3) электромеханическим твердомером, наименьшее сопротивление почва оказывает плунжеру конической формы (Ряд 1), наибольшее - цилиндрической (Ряд 3). При этом усилие, создаваемое элек-

тродвигателем на всей глубине погружения плунжера постоянно, а результаты измерения получаются объективными.

Меньшие численные значения измерения сопротивления почвы пенетрации плунжера, полученные с применением электронно-механического средства ИП-271 (Ряд 1), обусловлены одинаковыми значениями силы воздействия плунжера на почву по всей его глубине погружения, что не характерно для твердомера ИП-232 (Ряд 4) ручного принципа действия.

Приведенные на рисунке 4 величины средних значений измерения сопротивления почвы пенетрации при погружении в нее плунжера в форме полусферы (Ряд 2) практически равнозначны величинам твердости почвы, полученным с применением плунжера в виде конуса (Ряд 4) при одинаковой площади поперечного сечения основания.

Из данных рисунка 4 следует, что сопротивление почвы при погружении в нее плунжера цилиндрической формы (Ряд 3) увеличивается по сравнению с данными, приведенными (Ряд 1) и (Ряд 2) при равнозначной площади поперечного сечения основания применяемых плунжеров.

Вывод. Таким образом, преимущество разработанной КубНИИТиМ конструкции электронно-механического средства ИП-271 заключается в автоматизации процессов измерения сопротивления почвы пенетра-ции и получении достоверных информационных сведений для обеспечения ресурсосберегающих технологий.

Литература

1. Ревут И.Б., Физика почв / И.Б. Ревут. -Л.: Колос, 1972. - 368 с.

2. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов / А.Б. Лурье.

- 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Колос, 1981. - 382 с. :

3. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв [Текст]: учебники и учебные пособия для студентов вузов - изд. 3-е, перераб. и доп.

- М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.: ил.

4. Патент на полезную модель № 78574, МКИ G01N 9/00 Устройство для измерения твердости почвы / Киреев И.М., Трубицын Н.В., Коваль З.М., (РосНИИТиМ) (RU); зарегистрирован 27.11.2008 г.

5. ГОСТ 20915-2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний. - Взамен ГОСТ 20915-75; введ. 2013-01-01. - М.: ФГУП «Стандартинформ»: Изд-во стандартов, 2013. - 24 с.