CC BY
30
УДК [635.65: 631.33.024.3]
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПЛОТНЕНИЯ ПОЧВЫ В БОРОЗДКАХ, ОБРАЗОВАННЫХ ОДНОДИСКОВЫМ СОШНИКОМ С НУЛЕВЫМ УГЛОМ АТАКИ И СИММЕТРИЧНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ РЕБОРДАМИ-БОРОЗДКООБРАЗОВАТЕЛЯМИ ДЛЯ УЗКОРЯДНОГО ПОСЕВА МЕЛКОСЕМЯННЫХ КУЛЬТУР В. Р. ПЕТРОВЕЦ, С. В. КУРЗЕНКОВ, Н. И. ДУДКО, Д. В. ГРЕКОВ
УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» г. Горки, Беларусь, 213407, e-mail: [email protected]
(Поступила в редакцию 28.09.2016)
Процесс сева является важнейшим звеном в технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Ученые многих стран настойчиво ищут оптимальные способы посева сельскохозяйственных культур, а также рабочие органы для их осуществления. В Белорусской государственной сельскохозяйственной академии был разработан комбинированный одно-дисковый сошник для узкорядного посева с симметрично расположенными двухсторонними ребордами-бороздкообразователями, работающий при нулевом угле атаки. Полевые эксперименты показали, что исследуемый сошник осуществляет более равномерный посев семян по площади питания и на оптимальную глубину. В статье приводится математическая модель уплотнения почвы в местах укладки семян при использовании сошников предлагаемого типа. Ее реализация позволит установить связь между конструктивными параметрами предлагаемого сошника и технологическими параметрами изучаемого процесса. Данная методика будет учтена при анализе и обосновании рациональных границ варьирования бороздкообразующего элемента и оптимизации его параметров.
Ключевые слова: посев, дисковый сошник, реборда, бороздкообразователь, математическая модель, почва, уплотнение почвы.
The process of sowing is the most important link in the technology of crops cultivation. Scientists in many countries are constantly looking for the best ways to sow crops, as well as for working organs for their implementation. The Belarusian State Agricultural Academy developed a combined single-disc coulter for narrow-row sowing with symmetrical bilateral ledges-furrow-makers operating at zero angle of attack. Field experiments showed that the examined coulter sows seeds more uniformly in the area offeeding and at the optimal depth. The article presents a mathematic model of soil compaction in places of seeds sowing using coulters of the proposed type. Its implementation will help to establish the link between the design parameters of the proposed opener and technological parameters of the examined process. This methodology will be taken into account in the analysis and substantiation of rational boundaries of variability offurrow-making element and optimization of its parameters.
Keywords: crop, disc coulter, ledge, furrow maker, mathematical model, soil, soil compaction.
Введение
Основной задачей аграриев в процессе посева сельскохозяйственных культур является обеспечение оптимальных условий прорастания семян и дальнейшего их развития. Эти условия в основном зависят от оптимального сочетания трех факторов: водного, воздушного и теплового. Известно [1, 2], что лучшее сочетание этих факторов отмечается, когда семена равномерно распределены по площади питания и на заданную глубину. При этом семена должны быть уложены на плотный слой почвы и прикрыты рыхлым слоем почвы мелкокомковатой структуры. Несоблюдение любого из перечисленных требований ведет к снижению урожайности [1, 3, 4].
Одним из условий получения ровных и дружных всходов необходимой густоты является соблюдение оптимальной технологии посева [5, 6].
Во-первых, это создание плотного ложа, обеспечивающего постоянный капиллярный приток влаги к высеянным семенам, а следовательно, их быстрое набухание и дружное прорастание.
Во-вторых, необходимо оптимальное размещение семян по глубине и равномерное распределение по площади, что обеспечивает им водный, тепловой и пищевой режимы, требующиеся для прорастания и формирования мощного узла кущения, вторичных корней [5, 7, 8].
Именно в этот период закладываются основы будущей высокой урожайности, устойчивость к полеганию, стрессовым факторам. Отклонения норм высева, глубины заделки семян, ширины междурядий при посеве и одновременном внесении удобрений регламентируются агротехническими требованиями [3, 9]. Процесс сева, являясь важнейшим звеном в технологии возделывания сельскохозяйственных культур, зависит, прежде всего, от конструкции рабочих органов, укладывающих семена в почву. Ученые многих стран настойчиво ищут оптимальные способы посева сельскохозяйственных культур, а также рабочие органы для их осуществления.
Основная часть
В УО БГСХА был разработан комбинированный однодисковый сошник для узкорядного посева с симметрично расположенными двухсторонними ребордами-бороздкообразователями, работающий при нулевом угле атаки. Его общий вид, технологическая схема, принцип работы рассмотрены в работе [13]. В соответствии с агротехническим требованиям сева сельскохозяйственных культур семена должны высеваться на плотное ложе (1,2-1,3 103 кг/м3), вдавливаться в дно бороздки и закрываться рыхлым слоем почвы. Это позволяет подтягивать влагу из верхних слоев почвы и удерживать ее в местах укладки семян [4, 10, 11, 12].
Поставим задачу определения математических условий и закономерностей, при которых двигаясь испытуемый однодисковый сошник с симметричными ребордами-бороздкообразователями при в почве образует щель, повторяющую конфигурацию заглубляемых элементов сошника (рис. 1).
г
У у
2 О / \ Дб
3 4 Т 1 Ьб 1
Рис. 1. Конфигурация почвенной щели от сошника предлагаемого типа: 1 - верхний уровень почвы; 2 - элемент щели от бороздкообразователя; 3 - элемент щели от реборды; 4 - элемент щели от диска Допустим, что такое заглубление возможно, а почвенный слой в пределах глубины 0,1 м имеет
примерно одинаковую плотность р0. Требуется осуществить укладку семян в образованные бороздки шириной Ьб на глубину Дб с плотностью почвы в бороздках рб.
Для этого рассмотрим вертикальный столбик почвы прямоугольного сечения объемом Ус= 105 м3 в месте образования бороздки под действием элемента бороздкообразователя с шириной - Ьб (м) и длиной 1/Ьб10-4 (м), находящийся под нагрузкой. Таким образом, почвенный столбик будет иметь
площадь поперечного сечения: ^ = ь5 • — 10 4 = 10 4 м2 = 1см2 и высоту йс=0,1 м.
с Ьб
Расположим систему координат хОуг согласно рис. 2. Деформацию почвенного слоя будем рассматривать в пределах глубины г = - 0,1 м, т. е. уровня максимального воздействия посевных агрегатов.
Допустим, что под действием нагрузки элемента сошника почвенный слой плотности р0 в рамках рассматриваемого столбика полностью сжимается с Дг до величины Дг-Дб, без выноса почвы из образованной щели. Тогда массы почвы исследуемого столбика до сжатия и после него должны быть одинаковыми. Найдем их:
- до сжатия:
Дт=ро • Ус=Ро • & • Дг=ро • 10-5; (1)
- после сжатия:
Дт=рб• Уб=Рб•( V- Ус.б. - Iк ) = =Рб-(10-5 - 102 ц
=рб10^ (0,1 - Дб+ V (1 - Ь), 2 2'
где Ус б. - объем параллепипедальной части бороздки, м ; роздки, м3.
Приравняем правые части выражений (1) и (2):
ро-10-5= рб10^(0,1 - Дб+ ь
К
•(Дб - 2) - (2 )
)=
(2)
Уц - объем цилиндрической части бо-
(1 - П) )
2
и выразим из полученного равенства параметры рб и Ьб:
ь
ь
ь
Рб =-
Ро
Аг=0,1 м
1 -10-А6 + 5• Ь6 • (1 --) 1 -Ро -10 • Аб
Ьб = -Рб^-А- ■ 5^(п-1)
1/М0"4
(3)
(4)
'У
Рис. 2. Схема к расчету уплотнения почвы в месте бороздкообразования
Зависимость (3) позволяет оценить плотность почвы в бороздке при начальной плотности почвы р0, заданной ширине бороздки Ьб и известном заглублении бороздкообразователя Аб. Выражение (4) устанавливает связь между шириной бороздки и глубиной закладки семян с учетом необходимых агротехнических требований по плотности почвы в бороздке.
Покажем практическое применение формулы (4) для выбора рациональной ширины бороздкообразователя. Пусть известно, что начальная плотность почвы р0=800 кг/м3. Семена сельскохозяйственной культуры требуется высеять на глубину 3 см и уложить на ложе плотностью рб=1250 кг/м3.
Для нас это означает, что требуется создать такие условия, чтобы заглубить бороздкообразователь на глубину 0,03 м, при этом уплотнив почву в бороздке до 1250 кг/м3. Нужное нам заглубление сошника достигается приложением к сошнику внешнего усилия (нагрузки). Нужное же уплотнение почвы в бороздке достигается выбором ширины бороздкообразователя. В нашем случае эта величина не должна превышать 0,0168 м (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость ширины бороздкообразователя от его заглубления при фиксированных начальной плотности почвы и конечной плотности ложе бороздки
Заключение
Предложенная методика расчета (формулы 1-4) уплотнения почвы в бороздках, является составной частью математического описания процесса узкорядного посева сельскохозяйственных культур сошниковыми группами, оснащенными комбинированными однодисковыми сошниками предлагаемого типа. Она позволяет установить связь между конструктивными параметрами предлагаемого сошника (шириной бороздкообразователя) и технологическими параметрами изучаемого процесса (глубиной заделки семян и уплотнением почвы в ложе образованной бороздки). Данная методика будет учтена при анализе и обосновании рациональных границ варьирования бороздкообразующего элемента и оптимизации его параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петровец, В. Р. Технологии и машины для посева зерновых культур / В. Р. Петровец, Н. В. Чайчиц, С. В. Авсюкевич. - Горки, 2008. - С. 4-5.
2. Донец, С. М. Исследования технологического процесса заделки семян дисковыми сошниками при работе сеялки на повышенных скоростях: дис. канд. техн. наук: 05.20.01 / С. М. Донец. - Киев, 1963. - 191 с.
3. Петровец, В. Р. Обзор и исследование одно- и двухстрочных современных дисковых сошников / В. Р. Петровец, Н. В. Чайчиц, С. В. Авсюкевич // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - №1. -С. 152-158.
4. Ильин, В. И. Посев сельскохозяйственных культур сеялкой с однодисковыми сошниками и опорно-прикатывающими катками / диссертация кандидата технических наук 05.20.01 / В. И. Ильин. - Горки, 1991. - 183 с.
5. Мацепуро, М. Е. Новичихин В.А. Основные предпосылки к разработке технологии посева / М. Е. Мацепуро // Вопросы технологии механизированного сельскохозяйственного производства. - Минск, 1963. - С. 132-175.
6. Комаристов, В. Е. Влияние поступательной скорости зерновой сеялки на качество посева / Конструкция и технология производства сельскохозяйственных машин // В. Е. Комаристов. - Киев, 1974. - Вып. 4. - С. 30-34.
7. Арзуманян, А. С. Исследование работы сошников на повышенных скоростях: автореф. дис. канд. техн. наук. 05.20.01 / А. С. Арзуманян. - Л., 1963. - 13 с.
8. Жукова, В. К. Влияние скорости движения зерновой сеялки на качество посева /В. К. Жукова. - М., 1960. -С. 131-133.
9. Точицкий, А. А. Изыскание и исследование сошников к зернотуковым сеялкам для посева на торфяных почвах / диссертация кандидата технических наук 05.20.01 / А. А. Точицкий. - Минск, 1981. - 206 с.
10. Майонов, В. В. К вопросу обоснования оптимальных параметров посевных машин / В.В. Майонов. - Минск: Ураджай, 1967. - С. 99-153.
11. Набатян, М. П. Экспериментальное теоретическое исследование параметров дисковых сошников зерновой сеялки для работы на повышенных скоростях: дис. канд. техн. наук: 05.20.01 / М. П. Набатян. - М. 1972. - 166 с.
12. Петровец, В. Р. Посев зерновых культур дисковыми сошниками с усеченно-конусными бороздообразователями-уплотнителями: Монография / В. Р. Петровец, С. В. Авсюкевич, Н. И. Дудко. - Горки, 2015. - 212 с.
13. Петровец, В. Р. Комбинированный однодисковый сошник с симметрично расположенными двухсторонними ре-бордами-бороздкообразователями и нулевым углом атаки / В. Р. Петровец, С. В. Курзенков, Н. И. Дудко, Д. В. Греков // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - № 3. - С. 137-140.
