CC BY
10УДК 331.4 (629.113)
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КОЛЬЧАТО-РЕЖУЩЕГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО КАТКА ПО БИОНИЧЕСКОМУ ПРОТОТИПУ
Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;
Соболевский И. В., кандидат технических наук, доцент; Исмаилов Я. Н., аспирант; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Статья раскрывает биосистемный подход к обоснованию конструкции рабочих органов кольчато-режущего почвообрабатывающего катка, который позволяет обеспечить выполнение агротехнических требований, повышение степени измельчения комков почвы и пожнивных остатков по всей ширине захвата катка, а также создания же-лобковидной формы поверхности почвы для накопления и сохранения капиллярной влаги в пахотном слое.
Ключевые слова: почвообрабатывающий каток, рыхлительные резиновые элементы, ножи, биосистемный подход, экспериментальные исследования.
JUSTIFICATION OF THE CONSTRUCTION OF THE RING-CUTTING SOIL-CULTIVATING ROLLER ON THE BIONIC PROTOTYPE
Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;
Sobolevsky I. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Ismailov Y. N., postgraduate student. Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The article reveals a biosystemic approach to substantiating the design of the working bodies of a ring-cutting soil-cultivating roller, which allows meeting agrotechnical requirements, increasing the degree of crushing of soil lumps and crop residues across the entire width of the roller, and creating a flute-shaped soil surface to accumulate and preserve capillary moisture in the arable layer.
Key words: soil roller, ripping rubber elements, knives, biosystemic approach, experimental studies.
Введение. В современных условиях ведения сельского хозяйства Республики Крым в растениеводческом комплексе особое внимание уделяется внедрению ресурсосберегающих адаптивных технологий обработки почвы. Для её защиты от ветровой эрозии, по данным технологиям успешно используют комбинированные комплексы противоэрозионных агротехнологических мероприятий. В общей системе адаптивных технологий по снижению энергоемкости особое внимание уделяется использованию прикатывания почвы почвообрабатывающими катками. С их помощью выравнивается поверхность поля, проис-
105
ходит разрушение глыб, уплотняется неосевшая поздно обработанная почва. Эффект от прикатывания почвы обеспечивает улучшение контакта семян с почвой. Анализ исследований по обоснованию рациональных параметров почвообрабатывающих катков представлен в научных трудах Г. Н. Синеокова, И. М. Панова, М. Н. Летошнева, Н. Г. Дубровина, Г. Г. Маслова [1, 2]. При прикатывании почв, подверженных ветровой эрозии, необходимо создать противоэрозионную устойчивость в верхнем обрабатываемом слое с основной целью сохранения его структуры и стерневого фона. В засушливых районах Республики Крым прикатывание обеспечивает снижение потери влаги за счёт конвекционно-диффузного испарения, эффективность которого больше при рыхлой почве, чем при уплотнённой. Однако существующие конструкции почвообрабатывающих катков не в достаточной мере могут обеспечить качественные показатели прикатывания, целью которых являются повышение и сохранение влаги в почве перед посевом [3].
Цель и задачи исследований: Повышение качества противоэрозионной обработки почвы и снижение энергозатрат путем бионического обоснования параметров и создания конструкции почвообрабатывающего кольчато-режу-щего катка. В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
- уточнить агротехнические требования к прикатыванию почвы;
- обосновать конструкцию почвообрабатывающего кольчато-режущего катка по бионическому подобию;
- экспериментально определить тяговое сопротивление и качество выполнения технологического процесса опытным образцом почвообрабатывающего кольчато-режущего катка в почвенном канале.
Материал и методы исследований. Объектом исследований является технологический процесс адаптивной технологии обработки почвы и рабочие органы почвообрабатывающего кольчато-режущего катка, которые разработаны по бионическому подобию. Поставленные задачи решались методами бионического моделирования на основе биосистемного подхода. Лабораторные исследования проводились методом сравнительных опытов на специально подготовленной установке почвенного канала с планированием многофакторного эксперимента.
Результаты и обсуждение. В соответствии с ресурсосберегающими адаптивными технологиями возделывания сельскохозяйственных культур необходимо в новых технологических решениях, основанных на биосистемном подходе, применять почвообрабатывающие рабочие органы, способные обеспечить требуемую противоэрозионную структуру почвы за один проход. С целью улучшения качества обработки почвы для данных технологий предложена новая конструкция почвообрабатывающего кольчато-режущего катка с адаптированными рабочими элементами конструкции по бионическому подобию. Биологическим прототипом в данной конструкции являются роющие конечности и динамка движения медведки ^гуПо1а1ра) [3,4]. Как показывает анализ процесса рыхления почвы передними конечностями медведки, лапка, за счет массивного бедра, выполня-
106
ет одновременно два движения: возвратно-поступательное и криволинейное. Такой физический процесс позволил адаптировать два основных движения и элементы морфологического строения роющих конечностей медведки в обосновании конструкции рабочих элементов конструкции почвообрабатывающего кольчато-режущего катка для поверхностной обработки почвы.
Проанализировав строение и принцип движения лап медведки, была разработана конструктивная схема почвообрабатывающего кольчато-режуще-го катка по бионическому прототипу. Она содержит установленные на раме
I цилиндрические ротационные диски 2 с рыхлительными конусовидными резиновыми элементами 3, прижимаемыми к ротационным дискам 2 (рис. 1) пружинами 4 (рис. 2), посредством штифтов 5 с полусферическими головками 6 и жёстко закреплённые на раме 1 между дисками 2 рычаги 7 с зубчатыми ножами 8 с режущей кромкой 9 в виде логарифмической кривой. Полушаровые подпружиненные головки 10 (рис. 2) подвижных штифтов 5 в направляющих
II ротационных дисков 2 с рыхлительными конусовидными резиновыми элементами 3 установлены в обращенных внутрь колец 12 и жестко закреплённых на кольцах пустотелых цилиндрах 13 с внутренними упругими полушаровыми торцами 14 и упругими шаровыми массами 15 внутри них.
1
Работает каток для обработки почвы следующим образом. При движении по поверхности поля цилиндрические ротационные диски 2 вращаются за счет сил сцепления между почвой и рыхлительными конусовидными резиновыми элементами 3 (рис. 1). Внедряясь в почву, рыхлительные конусовидные резиновые элементы 3 формируют полусферические желобки полусферическими головками 6 (рис. 2). При этом рыхлительные конусовидные резиновые элементы испытыва-
107
ют минимальное сопротивление при внедрении в почву за счёт многократного упруго-ударного воздействия между полушаровыми подпружиненными головками 10 (рис. 2) подвижных штифтов 5 в направляющих 11 ротационных дисков 2 с рыхлительными конусовидными резиновыми элементами 3 установленными в обращенных внутрь колец 12 и жестко закреплённых на кольцах пустотелых цилиндрах 13 с внутренними упругими полушаровыми торцами 14 и упругими шаровыми массами 15 внутри них, что приводит к интенсивному разрушению комков и последующему созданию желобковидной формы поверхности почвы для накопления и сохранения капиллярной влаги в пахотном слое.
Показатели эффективности работы данной конструкторской разработки были подтверждены лабораторными исследованиями, которые проводились в почвенном канале научно-исследовательской лаборатории бионической агро-инженерии кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Основными параметрами которые не варьировались при проведении экспериментов были: деформационный показатель почвы V - 2,83х107.. .3,54 х10-7 м2/Н; влажность почвы Wв канале 12.. .16 %; твердость почвыр - 39.. .51 Н/см2;.
Во время проведения лабораторных экспериментов исследовалось общее взаимодействие рабочих органов почвообрабатывающего кольчато-режущего катка с почвой. Производилась оценка значений показателей общего тягового сопротивления почвообрабатывающего кольчато-режущего катка и качественных показателей уплотнения почвы. В ходе определения тягового сопротивления реализовывался двухфакторный эксперимент.
108
При реализации матрицы планирования эксперимента была получена математическая модель учитывающая зависимости тягового сопротивления от х1- скорости движения катка (V, м/с) и х2 - жёсткости пружин катка (С, Н/мм.).
Полученные уравнения регрессии для прототипа катка 3ККШ-6 (одна секция) и экспериментального почвообрабатывающего кольчато-режущего катка имеют вид:
уп = 926,9 + 95,6х1 + 156,08х2 - 15,6х1х2 (1)
уэ = 811,08 + 95,08x1 + 132,75x2 - 0,92x1x2 (2)
Из выражения (2) видно, что на тяговое сопротивление почвообрабатывающего кольчато-режущего катка (параметр оптимизации у) особое влияние оказывают скорость движения (V, м/с) и жёсткость пружин (С, Н/мм.).
Результаты анализа графических зависимостей тягового сопротивления от скорости движения при жёсткости пружин 10 Н/мм экспериментального почвообрабатывающего кольчато-режущего катка в сравнении с существующей конструкцией 3ККШ-6 (одна секция) представлены на рисунке 3.
Рисунок 3. Графические зависимости тягового сопротивления катков от скорости движения
Анализ графических зависимостей показал, что при скоростях движения от 0,6 до 1,4 м/с экспериментальный почвообрабатывающий кольчато-режу-щий каток обеспечивает снижение тягового сопротивления на 12...14 %, в сравнении с аналогом 3ККШ-6 (одна секция).
Качество обработки почвы экспериментальным почвообрабатывающим кольчато-режущим катком оценивалось после завершения прохода по степени крошения почвы, глыбистости, гребнистости поверхности почвы, а также по её плотности (рис. 4).
109
а) б)
Рисунок 4. Обработка почвы: а) почва до прохода; б) почва после прохода предлагаемым кольчато-режущим почвообрабатывающим катком, при жёсткости пружин 10 Н/мм
Качественные показатели экспериментального почвообрабатывающего кольчато-режущего катка в сравнении с существующей конструкцией 3ККШ-6 (одна секция) представлены в графиках на рисунках 5 и 6.
70 60
№
ц- 50
X *
I 40 -в-
ё
; зо
£20 3
10
ЗНЁ
I
■ Серийный И Предлагаемый
БоякЮОни 50Л00 15-50
Рисунок 5. Качество крошения почвы рабочими органами катков при скорости 0,6 м/с и жёсткости пружин 30 Н/мм
Анализ полученных лабораторных результатов исследований показал, что предлагаемые элементы конструкции рабочих органов почвообрабатывающего кольчато-режущего катка, по сравнению с существующей конструкцией 3ККШ-6, обеспечивают уменьшение глыбистости почвы в 2,2...2,3 раза,
110
гребнистости в 2,0...2,1 раза, а его рыхлящая способность выше на 17...25 %. Плотность почвы после прохода почвообрабатывающего кольчато-режущего катка составила 0,99 г/см3, а прототипа 3ККШ-6, соответственно, 1,1 г/см3. Плотность почвы после прохода предлагаемого почвообрабатывающего кольчато-режущего катка является более благоприятной для прорастания семян.
80 70 60
«
I50
-еЛ 40
|зо |20 10 о
ЕЕЖЕ
□ Серийный
□ Предлагаемый
Более 100 50...100 мм
25...50
менее 25
Рисунок 6. Качество крошения почвы рабочими органами катков при скорости 1,4 м/с и жёсткости пружин 10 Н/мм
Улучшение качественных и энергетических показателей обусловлено, главным образом, формой режущей кромки ножа, а также его колебаниями и установленных на ротационном диске рыхлительных элементов, которые производят более эффективное крошение почвы.
Анализ полученных данных показывает, что при скорости обработки 1,4 м/с рабочие органы предлагаемого катка в активном положении имеют наибольшее значение по степени дробления комков почвы.
Увеличение жёсткости пружин ведет к снижению степени дробления комков почвы. При этом рабочий орган экспериментального почвообрабатывающего кольчато-режущего катка с ростом жесткости пружин обеспечивал меньшую частоту колебаний.
Выводы. В системе адаптивных технологий обработки почвы применение биосистемного подхода позволило разработать принципиально новые конструктивные элементы рабочих органов кольчато-режущего почвообрабатывающего катка по бионическому прототипу лапы медведки. Использование такого типа рабочих органов почвообрабатывающего кольчато-режущего катка, позволит снизить тяговое сопротивление на 12.14 % и повысить степень измельчения комков почвы на 17.25 % по всей ширине захвата катка. Создание желобковидной формы поверхности почвы предлагаемым катком увеличит накопление и сохранение капиллярной влаги в пахотном слое и улучшит противоэрозионную устойчивость почвы.
Список использованных источников:
1. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И . В., Исмаилов Я. Н. Обоснование параметров почвообрабатывающего тандем-ного катка по бионическому подобию // Сборник трудов III научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, студентов и молодых учёных «Дни науки КФУ им. В. И. Вернадского». Сельскохозяйственные науки. - Симферополь, 2017 г. - С. 113-116.
2. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Основы бионических исследований: учебник // Симферополь: 1111 «Антиква», 2014. - 328 с.
3. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Бионическое обоснование путей совершенствования сельскохозяйственных машин на основе коэффициента адаптационной наработки // Науковi пращ Швденного фшалу Нащонально-го утверситету бюресурав i природоко-ристування Украши «Кримський агро-технологiчний унiверситет». - Технiчнi науки. Випуск 162. - Сiмферополь: ВД «АР1АЛ», 2014. - С. 197 - 205.
4. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В., Исмаилов Я. Н. Обоснование параметров почвообрабатывающего тандем-ного катка по бионическому подобию // Сборник тезисов III научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, студентов и молодых учёных «Дни науки КФУ им. В. И. Вернадского». Сельскохозяйственные науки. -Симферополь, 2017 г. - С. 130-131.
5. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Разработка комплекса почвообрабатывающих рабочих органов на основе бионики для экологического земледелия // Международный форум «Крым
112
References:
1. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V., Ismailov I. N. Substantiation of soil-cultivating tandem roller parameters by bio-nic similarity // Proceedings of the III scientific-practical conference of the faculty, graduate students, students and young scientists «Days of science of CFU V. I. Vernadsky». Agricultural science. -Simferopol, 2017 - P. 113-116.
2. Babitsky L. F., Moskalevich V. Yu., Sobolevsky I. V. Bases of bionic research: textbook / / Simferopol: PP «Antiqua», 2014. - 328 p.
3. Babitsky L. F., Sobolevski I. V. Bionic substantiation of ways improvement of agricultural machinery on the basis of the coefficient adaptation practices // Scientific works of the southern branch of the National University of bio-resources and nature management of Ukraine «Crimean agrotechnological Uni-versity». - Technical science. Issue 162. -Simferopol: publishing house «ARIAL», 2014. - P. 197 - 205.
4. Babitsky L., Sobolevsky I. V., Ismailov Ya. N. Rationale default parameters moat of the soil-cultivating tandem roller on bionic similarity / / Collection of theses of the III scientific and practical conference of the faculty, graduate students, students and young scientists «Days of science of the CFU. V. I. Vernadsky». Agricultural science. - Simferopol, 2017 - P. 130-131.
5. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. Development of soil-cultivating working bodies on the basis of bionics for organic agriculture // international forum «Crimea Hi-Tech - 2014». Collection of abstracts. - Moscow: Ministry of education and science of the Russian Federation, 2014. - P. 106-108.
Hi-Tech - 2014». Сборник тезисов докладов. - М.: Министерство образования и науки Российской Федерации, 2014. - С.106-108.
6. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Бионико-механичес-кие основы сельскохозяйственных машин. Теория и методы // Saarbrucken: Lap Lambert Academic Publishing, 2016. - 384 с.
7. Протокол испытаний № 01-19-13 (5020352) Каток кольчато-шпоровый 5ККШ-10/ Алтайская государственная зональная машиноиспытательная станция. - Алтайский край, с. Поспели-ха: публикация протокола: 16.08.2013 [Электронный ресурс] URL: http:// www.http://sistemamis.ru/protocols/.
8. Заявка на выдачу патента РФ на полезную модель под регистрационным номером 2018139222. Каток для обработки почвы. / Бабицкий Леонид Фёдорович, Соболевский Иван Витальевич, Куклин Владимир Алексеевич, Исмаилов Якуб Ниязиевич. - Решение о выдаче патента 10.01.2019.
Сведения об авторах:
Бабицкий Леонид Фёдорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского», e-mail: [email protected], 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Соболевский Иван Витальевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования
6. Babitsky L. F., Moskalewicz Y. V., Sobolevsky I. V. Bionico-mechanical basis of agricultural machines. Theory and methods // Saarbrucken: Lambert Academic Publishing, 2016. - 384 p.
7. Test report number 01-19-13 (502 0352) Rink ring-heel 5KKm-10/ Altai state zonal machine-station. - Altai Krai, Pospelikha village: publication of the Protocol: 16.08.2013 [Electronic resource] URL: http://www.http://sistemamis. ru/protocols/.
8. Application for the grant of a patent of the Russian Federation for a utility model under registration number 2018139222. Skating rink for tillage. / Babitsky Leonid Fedorovich, Sobolev-sky Ivan Vitalyevich, Kuklin Vladimir Alekseevich, Ismailov Yakub Niyazi-evich. - The decision to grant the patent 10.01.2019.
Information about the authors:
Babitsky Leonid Fedorovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: kaf- [email protected], 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Sobolewski Ivan Vitalievich - Candidate of Technical Sciences, Associate
113
ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И.Вернадского».
Исмаилов Якуб Ниязиевич - аспирант кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И .Вернадского».
Professor of the Department of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: [email protected], 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Ismailov Yakub Niyazievich - postgraduate student of the Department of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernad-sky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: [email protected], 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
114
