CC BY
28
УДК 631.3 Ё
DOI 10.18286/1816-4501-2016-4-152-157
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКЦИИ ПОЧВЫ НА ПРИКАТЫВАЮЩЕЕ КОЛЬЦО
КАТКА-ГРЕБНЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Курдюмов Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Агротехнологии, машины и безопасность жизнедеятельности»
Зыкин Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Агротехно-логии, машины и безопасность жизнедеятельности»
Курушин Виктор Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Агро-технологии, машины и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА
432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; тел.: 8(8422)55-95-95; е-mail: [email protected]
Ключевые слова: технология, посев, гребневая обработка почвы, культивация, при-катывание
Разработана гребневая сеялка, оснащенная катками-гребнеобразователями, применение которой позволяет с минимальными эксплуатационными затратами за один проход выполнить предпосевную культивацию, высев семян, образовать над строчками высеянных семян бугорок почвы, уплотнить его с трех сторон и окончательно сформировать гребень почвы требуемых размеров и плотности в нем. Выявлено, что реакция почвы от действия на нее прикатывающих колец катка-гребнеобразователя зависит от физико-механических свойств почвы и от размеров прикатывающих колец.
ции с активными и пассивными рабочими органами, в частности, прикатывающими кольцами и сферическими дисками катков-
Введение
Традиционные технологии возделывания пропашных культур на ровной поверхности поля были и остаются самыми распространенными. Однако исследованиями установлено, что наиболее перспективной для пропашных культур является гребневая технология [1, 2, 3, 4], позволяющая создать благоприятные температурные, водные и воздушные условия для быстрого и дружного прорастания семян. При высеве семян в одни и те же сроки на гребнях культурные растения развиваются лучше, чем на ровной поверхности. Корневая система растений в гребнях почвы не выходит в бороздки-междурядья, поэтому при междурядных обработках, по сравнению с обработкой обычных посевов, рыхлить почву можно глубже, что способствует ее сохранению в рыхлом состоянии и предохраняет почвенную влагу от испарения.
Проанализировав известные способы предпосевной подготовки поля и гребневого посева пропашных культур, можно заключить, что гребни почвы при посеве формируют различными средствами механиза-
1!
га еа »1
р и ш ■ !
Ой и
гребнеобразователей. Однако задача качественного формирования гребней почвы такими рабочими органами решена недостаточно, поэтому необходимо обосновать оптимальные параметры гребневой сеялки, оснащенной катками-гребнеобразователя-ми.
Объекты и методы исследований
Для реализации гребневого способа посева пропашных культур разработана гребневая сеялка [6, 7, 8, 9, 10] (рис. 1), которая одновременно рыхлит почву, уничтожает сорные растения, образует уплотненное ложе, высевает семена и образует над ними бугорок почвы, формирует гребень почвы требуемых размеров и плотности почвы в нем. На каждой посевной секции гребневой сеялки установлены лапа-сошник, два рабочих органа с плоскими дисками и каток-гребнеобразователь.
Бугорок почвы над высеянными семенами формируют рабочие органы с плоскими дисками. Рабочие органы устанавливают
Рис. 1 - Гребневая сеялка: а - вид сбоку; б - вид сзади
таким образом, чтобы плоские диски под острым углом были направлены в сторону движения секции.
Каток-гребнеобразователь (рис. 2) содержит раму, состоящую из поперечных 1 и 2 и продольных 3 и 4 балок. На продольных балках 4 в подшипниках 5 установлена ось 6. На продольных балках 3 в подшипниках 7 установлены выпуклостью к оси симметрии сферические диски 8. На оси 6 между сфе-
рическими дисками 8 расположены прикатывающие кольца 9, свободно вращающиеся на оси 6.
Каток-гребнеобразователь содержит также кронштейн 10, жестко закрепленный на поперечной балке 1, посредством которого каток агрегатируют с сеялкой-культиватором. К кронштейну 7 шарнирно при помощи пальца 11 присоединена штанга 12. На штанге 12 установлена пружина 13. Усилие
1!
га еа »1
р и ш М
Ой и
Рис. 2 - Каток-гребнеобразователь:
1, 2 - балки поперечные; 3, 4 - балки продольные; 5, 7 - подшипники; 6 - ось; 8 -сферические диски; 9 - прикатывающие кольца; 10 - кронштейн; 11 - палец; 12 -штанга; 13 - пружина; 14 - гайка; 15 - отверстия; 16 - муфта; 17 - шплинт
сжатия пружины регулируют перемещением гайки 14 по резьбе штанги 12. В балке 1 выполнены отверстия 15, позволяющие регулировать угол атаки сферических дисков 8 от 0 до 30°. Для фиксации штанги 12 во время работы или при транспортировке катка на наружном конце муфты 16 установлен шплинт 17.
При движении катка-гребнеобразова-теля по рядку, на который предварительно с междурядий сдвинут для заделки семян рыхлый слой почвы и образован почвенный бугорок, сферические диски 8, установлен-
ные выпуклой стороной к оси симметрии катка уплотняют бугорок почвы с боков. При этом прикатывающие кольца 9, свободно вращающиеся на оси 6, за счет давления пружины 13 уплотняют вершину бугорка почвы и окончательно формируют гребень почвы высотой 6...8 см.
За счет давления колец 9 на почву при их вращении и действия сферических дисков 8 почвенные комочки измельчаются, и на поверхности рядка образуется рыхлый мульчированный слой почвы, уменьшающий испарение почвенной влаги.
Результаты исследований
Кольцо катка-гребнеобразователя представляет собой обод со сферическим профилем. Обозначим радиус кольца - г, радиус поперечного сечения сферы кольца - г .
ск
Известно, что при движении катка по полю он сминает почву на некоторую величину Лсм, подвергая почву деформации сжатия.
Деформация почв сопровождается изменением их структуры и пористости, перемещением частиц почвы, воды и газа, и представляет собой тип деформаций, свойственный только полудисперсным системам.
Следовательно, можно рассмотреть почвенную среду, при небольших величинах смятия почвы (0,03.0,04 м), как линейно деформируемую, и определить зависимость между деформацией почвы и нагрузкой на каток следующим образом:
(7 = а И , (1)
-< см ' 1 '
где о - напряжение смятия почвы, Н/м2; ц - коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3;
Кольцо катка перекатывается по поверхности поля, сминая почву на величину Л (рис. 3).
см
Выберем начало координат в точке О1 пересечения вертикального диаметра кольца катка с поверхностью почвы. Выделим сегмент с элементарными сторонами dx, dy и dlк, который с точностью до малых величин высшего порядка можно считать треугольником. На сферическом ободе кольца с шириной его контакта с почвой Ь , выделим
элементарную поверхность dSк, которую выразим следующим образом:
(¡Я =Ъ (II , (2)
к к к'
где Ьк - ширина кольца, м.
Элементарная сила реакции почвы на эту повеохность
(111щ = ¿7 Ьк (11 к. (3)
Угол между сторонами с/х и с//к равен углу 5 приложения реакции почвы Я (так как углы имеют взаимно перпендикулярные стороны).
В этом случае
ф
(11 =■
(4)
Так как dy = dhсм, то выражение (1) можно переписать следующим образом:
<Т = ду . (5)
Подставив выражения (4) и (5) в формулу (3), получим:
Ъ д у(1у
(1ЯП =
БШс)
(6)
ние:
Проинтегрируем полученное выраже-
Кп=М_)уф К Ч Ас2
СМ
БШс)
28П1(!>
О ----- (7)
Однако на реакцию почвы также оказывает влияние диаметр кольца катка dк. Для учета этого параметра выразим dlк через dx:
(к
< =-т- (3)
С08 О
Подставим выражение (8) в формулу (6) и, изменив пределы интегрирования, получим:
1
Кч
со$3
л
|ус1х.
(9)
Для того, чтобы проинтегрировать правую часть выражения (9), необходимо переменную у выразить через переменную х, и найти верхний предел интегрирования по х (рис. 4).
Из рис. 4 следует, что треугольник Ю17 подобен треугольнику УО^. Следовательно,
О 7/ О / = О У/ О 7, или (О 7)2 = О ¡•О.У. В этом
1'1 1 ' 1 ' 1 1 ' 1 1
случае О7 = х, О! = d- Ь , а О, У = Ь .
' 1 ' 1 к см' 1 см
Рис. 3 - Движение кольца катка по поверхности почвы
Рис. 4 - К определению верхнего предела интегрирования
Из приведенных расчетов следует, что: х2 = Ш -Ь ) Ь . Так как диаметр кольца катка
к см см
d больше величины смятия почвы Ь Ш >>
к см к
» h ), то значением Ь 2 можно пренебречь.
см см
Тогда, выполнив соответствующие преобразования, получим л- - ч/й?к /?ш . Следовательно, нижним пределом интегрирования по х будет 0, а верхним - йсм .
Для замены переменной у через х воспользуемся рис. 5.
Из рис. 5 следует, что треугольник IXJ
1! га
еа
»1
р Й £ |1
и л
■ ■ 1
■■■ «5
Ой И
подобен треугольнику YXJ. Следовательно, XJ / IX = УХ/ XJ или (Х^2 = IX • УХ.
Из рис. 5 также следует, что XJ = х; IX = dк - (Лсм - у); УX = Лсм - у, следовательно, х2 = [/- (Л - у)] - (Л - у). Так как d >> Л - у,
1 к х см ' х см ' ' к см ' '
то значением (Лсм - у)2 можно пренебречь. Выполнив соответствующие преобразования, получим х2 = d (Л - у), откуда
у = [Лм - ХЛ/Д к ""
Подставив полученные выражения у и х в формулу (9), получим:
Щ С08<?
2 КаКы
1
I Л
"к;
йбс =
(10)
4Лм
2 К Ч
3 СОБС)
3 СОБс)
Рис. 5 - К определению величины у
Рис. 6 - Силы, действующие на коль-
цо катка
Выражение (10) справедливо для реакции почвы ^п на ободе гладкого цилиндрического кольца. Для определения силы
о и и и
[1п, действующей по всей поверхности контакта кольца катка с почвой (дуге йЕК) (рис. 6), разобьем дугу йЕК на бесконечно большое число цилиндрических дисков шириной /Ьк1, на каждый из которых действует элементарная нормальная реакция Nк, направленная к центру О3 сечения кольца, и сила трения Гтр.
Тогда реакция почвы Rп=Nк■tg<p+Nк=Nк(tg<p +1).
(И)
Из рис. 6 следует, что
^=1ё<Р = /к, (12)
где (р - угол трения кольца катка о почву, град.; /к - коэффициент трения почвы о кольцо.
В данном случае вводим допущение, что Лсм = гск, так как давление на почву кольцо оказывает на площади контакта дуги йЕК. Тогда Ь = 2г = / .
к ск ск
В этом случае элементарная реакция, действующая на каждый элемент /Ьк1 кольца с учетом формул (10) и (11), составит:
(&п =
где гкЛ - переменный радиус кольца, к которому приложена реакция, м; ЛсмЛ - переменная величина смятия почвы, м.
Как следует из рис. 6, переменные радиус приложения реакции и величина смятия почвы соответственно
3 С08 б)
-аь
(13)
г= г — г +
к к ск
VI
tg ф
см ЪФ
(14)
(15)
Подставив выражения (14) и (15) в (13), заменив переменные и, выполнив соответствующие преобразования, получим:
сМи =
\Г —Г 4-
пн
\л -
2л/2 д {\%(р + \)
Зсоэ 5 'ск 1ё<р ^%<р) ^К1"(1б)
Интегрируя выражение (16) получим:
ЗС08<У
tg(р I Щ<Р
1,5
(17)
или
Яи =
0,94 д (Щ(р+\)
(18)
Для упро щения расчетов заменим переменные:
0.94.д (ъу +1) _ ^
2 — '
С08С>^ (р
(гк - гск) = г/.
Тогда
К
1111=с\л]и + ЬкГЬ^ с!Ьк].
£ (19)
Вычислив интеграл в выражении (19) и выполнив соответствующие преобразования с учетом того, что Ьк = dск, окончательно можно записать:
Яп = с [0,125 м31п (у/и + ¿ск + - 0,0625 иъ 1пи --0,042 ■ ф^к(Зи2-2и<1ск-М?к)].
(20)
Выводы
Таким образом, при уплотнении почвы в гребне и ее смятии на требуемую величину реакция почвы от действия на нее прикатывающих колец зависит при известных физико-механических свойствах данного типа почвы, зависит от размеров прикатывающих колец катка-гребнеобразователя.
Библиографический список
1. Закон плодосмена: экономическая и энергетическая эффективность севооборотов / В.П. Заикин, А.Е. Шамин, А.Ю. Лисина, Е.Е. Борисова // Вестник НГИЭИ. - 2016. - № 3 (58). - С. 72-80.
2. Курдюмов, В.И. Определение плотности почвы после прохода катка-гребнео-бразователя / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 4. - С. 27-29.
3. Курдюмов, В.И. Оптимизация параметров катка-гребнеобразователя / В.И.
Курдюмов, Е.С. Зыкин // Техника в сельском хозяйстве. - 2007. - № 1. - С. 15-16.
4. Осокин, В.Л. Методические вопросы объективной оценки потенциала энергосбережения / В.Л. Осокин, Б.В. Папков, В.А. Горохов // Вестник НГИЭИ. - 2016. - № 4 (59).
- С. 98-106.
5. Рембалович, Георгий Константинович. Повышение эффективности уборки картофеля на тяжелых суглинистых почвах совершенствованием сепарирующих органов комбайнов; монография / Г.К. Рембалович.
- Рязань, Рязанский государственный агро-технологический университет им. П.А. Ко-стычева, 2014. - 301 с.
6. Пат. 2443094 Российская Федерация, МПК А01В79/02, А0^1/00. Способ возделывания пропашных культур / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». -№ 2010141211/13; заявл. 07.10.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6.
7. Пат. 2265305 Российская Федерация, МПК А01С7/00. Способ посева пропашных культур / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». - № 2004109411/12; заявл. 29.03.2004; опубл. 10.12.2005, Бюл. № 34.
8. Пат. 2435353 Российская Федерация, МПК А01С7/00, А01В49/06. Гребневая сеялка / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». - № 2010129256/13; заявл. 14.07.2010; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
9. Пат. 2435352 Российская Федерация, МПК А01С7/00, А01В49/06. Гребневая сеялка / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». - № 2010129255/13; заявл. 14.07.2010; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
10. Пат. 108902 Российская Федерация, МПК А01В49/04. Секция сеялки-культиватора / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин, И.А. Шаронов; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА». - № 2011100230/13; заявл. 11.01.2011; опубл. 10.10.2011, Бюл. № 28.
ГТ
