CC BY
40
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.317
ПАРАМЕТРЫ НОЖА
УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ПОЧВЕННОЙ ФРЕЗЫ СЕЯЛКИ СДК-2,8
Р. Ф. Курбанов, д-р техн. наук, профессор;
И. Н. Ходырев, аспирант,
ФГБОУ ВО Вятская ГСХА,
Октябрьский пр-т, 133, г. Киров, Россия, 610017
E-mail: kurrust@mail.ru
Аннотация. Для повышения качества обработки естественных и культурных кормовых угодий используют методы коренного и поверхностного улучшения. Второй способ является наиболее предпочтительным, с точки зрения энергоресурсосбережения. Для реализации этой технологии в основном используются комбинированные машины с фрезерными (активными) рабочими органами. В качестве рабочих органов служат Г-образные ножи. Серийно выпускаемая комбинированная дернинная сеялка СДК-2,8 имеет фрезерную секцию с почвообрабатывающими органами в виде двух дисков с Г-образными ножами и закрыта кожухом. Недостатком обработки полос с помощью Г-образных ножей является вырывание кусков дернины из краев полос с последующим сползанием их в обработанную полосу, что ухудшает качество посева и прикатывания. Для устранения этих недостатков часто используют различные конструкции L-образных ножей. Однако данная почвообрабатывающая фреза имеет повышенную энергоемкость процесса из-за рыхлительных элементов, расположенных на радиальном участке ножа, что увеличивает динамическую составляющую сопротивления почвы. Рекомендована усовершенствованная конструкция таких ножей, где крыло имеет вырез металла с образованием тыльной кромки с отогнутой частью под углом а в продольно-вертикальной плоскости стойки крыла в форме трапеции и боковой кромки, вдоль которой жестко закреплен рыхлительный элемент в форме пластины. В условиях Кировской области проведены производственные исследования по оптимизации конструктивных параметров разработанных ножей. При определении физико-механических свойств дернины на момент проведения экспериментов относительная влажность почвы составила 14,9 %, твердость почвы - 23,98 кг/см2, связность дернины -10,08 кН/м2. Был реализован трехуровневый план эксперимента Бокса-Бенкина второго порядка для трех факторов. Оптимальные показатели рабочего процесса почвенной фрезы с усовершенствованным L-образными ножами достигаются при следующих значениях параметров ножа: высота рыхлителя ножа h=10 мм, величина отгиба крыла ножа фрезы Ь=10 мм, угол отгиба крыла ножа фрезы о=30°. При этих значениях факторов степень крошения почвы фракции 0...0,03 м находится в пределах У1=73,00..74,49 % при степени крошения почвы фракции более 0,03 м 72=25,51..26,25 % , а тяговое сопротивление машины75=1,13..1,21 кН.
Ключевые слова: сеялка СДК-2,8, почвенная фреза, Ь-образный нож, обработка почвы, степень крошения почвы, тяговое сопротивление.
Введение. В настоящее время кормовые угодья в основном улучшают методом и техническими средствами минимальной обработки, при которых происходит уменьшение числа и глубины обработок, совмещение операций в одном рабочем процессе или уменьше-
ние обрабатываемой поверхности поля и применение при необходимости гербицидов [1-4, 7]. Необходимость перехода на минимальную обработку почвы в интенсивном земледелии диктуется потребностью защиты ее от отрицательных последствий широкого применения
тяжелых тракторов и транспортных средств, снижением энергетических затрат и трудовых ресурсов, повышением урожайности сельскохозяйственных культур и снижением себестоимости продукции.
Применение комбинированных почвообрабатывающих агрегатов, позволяющих в одном рабочем процессе осуществить несколько технологических операций эффективно как в агротехническом, так и в экономическом плане. Агротехническое значение совмещения заключается в ускорении проведения полевых работ, улучшении их качества, а экономическое значение - в экономии трудовых, энергетических и материально -технических ресурсов [4-6].
Среди таких агрегатов в хозяйствах Кировской области наиболее распространена сеялка полосного посева СДК-2,8 [8], на раме которой расположены фрезерная секция, семенной ящик с высевающими аппаратами и прикатывающие катки. Фрезерная секция имеет почвообрабатывающие органы в виде двух дисков с Г-образными ножами и закрыта кожухом. Внутри кожуха установлен двусторонний отвал. Последний выполнен в виде двух сопряженных поверхностей: правой и левой по всей длине в продольно-вертикальной плоскости. Ширина захвата отвала, по крайней мере, не менее расстояния между кромками крыльев внутренних Г-образных ножей, развернутых навстречу друг другу. По центру кожуха проходит привод фрез. В задней части кожуха размещены се-мянаправители. Давление на почву фрезерной
секцией и прикатывающими катками регулируют пружинами.
Недостатком обработки полос с помощью Г-образных ножей является вырывание кусков дернины из краев полос с последующим сползанием их в обработанную полосу, что ухудшает качество посева и прикатывания.
На сеялке СДК-2,8 также могут применятся ножи других типов с горизонтальной осью вращения. Примером является сеялка для посева семян трав в дернину [9], которая содержит ножи фрезерной секции, выполненные в виде S-образной формы с отогнутой параллельно стойке вниз частью крыла. Отогнутая часть крыла имеет форму трапеции. Недостатком применения ножей данного типа является то, что они не обеспечивают необходимое уплотнение (прикатывание) почвы в полосах после посева семян трав. Кроме того, требуется высокая точность вождения посевного агрегата.
Другой тип ножей с горизонтальной осью вращения, применяемый на сеялке СДК-2,8 [10], выполнен в виде L-образной формы (рис. 1а) с отогнутой частью крыла под углом а в продольно-вертикальной плоскости стойки крыла в форме трапеции, что улучшает условия уплотнения почвы в полосах после посева семян трав, при недостаточно точном вождении посевного агрегата. Недостатком данного типа ножа является то, что он не обеспечивает необходимое равномерное рыхление почвы в верхних и в нижних слоях, что существенно ухудшает качество поверхностной обработки почвы.
Рис. 1. Виды ножей: а - Ь-образный; б - пластинчатый: 1 - стойка; 2 - крыло; 3 - отогнутая часть; 4 - режущая кромка; 5 - рыхлительный элемент в форме клиновых расширяющихся выступов; 6 - рыхлительный элемент крыла
б
а
Известен рабочий орган почвообрабатывающей фрезы [11], который содержит горизонтальный вал с закрепленными к нему ступицами в виде дисков. Каждый диск расположен в продольно-вертикальной плоскости. На диске посредством болтовых соединений закреплены пластинчатые ножи (рис. 1б). Каждый нож имеет рабочую часть с режущей кромкой, образованной двусторонней заточкой. Рабочая часть ножа включает радиально направленный участок относительно вала и отогнутое от него в сторону крыло. На обеих гранях радиального участка расположены рыхлительные элементы в форме клиновых расширяющихся от лезвия выступов. Крыло имеет вырез металла с образованием тыльной и боковой кромки. Вдоль боковой кромки жестко закреплен рыхлительный элемент в форме пластины. Рыхлительный элемент в нижней части своей передней кромки сопряжен с тыльной кромкой крыла, а в верхней имеет двустороннюю заточку. Рыхлительный элемент направлен от крыла к валу рабочего органа. Плоскость рыхлительного элемента относительно плоскости диска ступицы расположена под острым углом, вершина которого обращена в направлении вращения ножа. Рабочая боковая грань пластины наплавлена твердым сплавом. Один из ножей в паре имеет
/ \
Рис. 2. Усовершенствованный Ь-обр; 3 - отогнутая часть крыла; 4 -
крыло, отогнутое в одну сторону от диска, а другой нож в паре имеет крыло, отогнутое в другую сторону от диска. Недостатком данной почвообрабатывающей фрезы является повышенная энергоемкость почвообрабатывающего процесса из-за рыхлительных элементов, расположенных на радиальном участке ножа, что увеличивает динамическую составляющую сопротивления почвы. Кроме того, из-за конструктивной особенности фрезы ухудшается уплотнение почвы в полосах после посева семян трав.
Для устранения недостатков известных фрез нами предложна усовершенствованная конструкция ножа и определены его параметры для использования на сеялке СДК-2,8.
Методика. Для создания компактной сеялки СДК-2,8 с низкой энергоемкостью, металлоемкостью, с высоким качеством равномерного рыхления почвы и уплотнением почвы в полосах после посева, для обеспечения наиболее приемлемого роста и развития семян трав нами были разработаны усовершенствованные L-образные ножи почвенной фрезы (рис. 2) [12], где крыло имеет вырез металла с образованием тыльной кромки с отогнутой частью под углом а в продольно-вертикальной плоскости стойки крыла в форме трапеции и боковой кромки, вдоль которой жестко закреплен рыхлительный элемент в форме пластины.
¡ный нож: 1 - стойка ножа; 2 - крыло; ыхлитель; 5,6 - режущая часть
Результаты. Для определения оптимальных параметров усовершенствованного L-образного ножа почвенной фрезы комбинированной сеялки СДК-2,8 для посева семян трав в дернину был реализован трехуровневый план эксперимента Бокса-Бенкина второго порядка для трех факторов (табл.). В качестве
факторов были приняты значения высоты рыхлителя к, мм, величины отгиба крыла ножа фрезы Ъ, мм, угла отгиба крыла ножа фрезы а. В качестве критериев оптимизации приняты степень крошения фракции 0..Д03 м %, степень крошения фракции более 0,03 м У2, % и тяговое сопротивление машиныГ5, кН.
Таблица
Уровни варьирования факторов и интервалы
Кодированное значение факторов Обозначение Уровни факторов Интервал варьирования
-1 0 +1
Х1 Высота рыхлителяк, мм 5 10 15 5
Х2 Величина отгиба крыла ножа фрезы Ь, мм 10 15 20 5
x3 Угол отгиба крыла ножа фрезы а 30 40 50 10
Для проведения экспериментальных исследований был выбран участок, находящийся на территории Кировской области, и изготовлены усовершенствованные L-образные ножи с различными параметрами. Средние значения физико-механических свойств дернины [13] на момент проведения экспериментов составили: относительная влажность почвы -14,9 %, твердость почвы - 23,98 кг/см2, связность дернины - 10,08 кН/м2.
После реализации плана эксперимента и обработки результатов с помощью программы Statgrafics Plus 5,1 получены следующие математические модели критериев оптимизации:
Yt = 73,05 + 1,7325Х! - 1Д3625Х2 -—0,68125Х3 - 0,275Х? - 0,0075X^2 --0,0025X^3 - 0,0475X1 - 0,34Х2Х3 + +0,0325Х|
Y2 = 26,95 - 1,7325Х1 + 1,13625Х2 + +0,68125Х3 + 0,275Х? + 0,0075X^2 + +0,0025X^3 + 0,0475X1 + 0,34Х2Х3 -- 0,0325Х|
Y3 = 1,20333 + 0,08125Х1 + 0,05375Х2 + +0,0325Х3 + 0,00083Х? + 0,0025X^3 + +0,00083Х| + 0,0125Х2Х3 - 0,00167Х§
На рисунке 3 а представлено двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость коэффициента степени крошения фракции 0...0,03 м У1, %, от факторов Х1и Х3 при фиксированном значении фактора Х2=0.
С увеличением высоты рыхлителя к (Х1) до максимального значения 15 мм процентное соотношение степени крошения фракции 0.0,03 м (У]) увеличивается до 75,4%. При этом из рисунка 3 видно, что степень крошения будет также увеличиваться при стремлении показателя угла отгиба крыла ножа (Х3) к своему минимальному значению, и при данных условиях усовершенствованный Ь-образный нож почвенной фрезы будет качественно нарезать стенки полосы в монолите дернины.
Анализ следующей математической модели (рис. 3б) показывает, что наибольшее влияние на уменьшение процентного содержания степени крошения фракции более 0,03 м (У2) будут оказывать показатели Х1 и Х3, имея значения 15 мм и 30°, соответственно.
а б
Рис. 3. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость: а - содержания степени крошения фракции 0.0,03 м, У;%; б - содержания степени крошения
фракции более 0,03 м, У2%
Кроме того, для достижения наименьшего высоты рыхлителя ножа (Х1) (рис.4). Решая
тягового сопротивления машины (У3) возника- компромиссную задачу, получаем, что высота
ет необходимость в уменьшении величины рыхлителя должна иметь среднее значение. угла отгиба крыла ножа (Х3) и уменьшении
Рис. 4. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость тягового сопротивления машины У3, кН
Вывод. Оптимальные условия рабочего процесса почвенной фрезы с усовершенствованным Ь-образным ножом достигаются при следующих значениях параметров ножа: высота рыхлителя ножа Ь=10 мм, величина отгиба крыла ножа фрезы Ь=10 мм, угла отгиба крыла ножа
фрезы а=30°. При этих значениях параметров степень крошения почвы фракции 0.0,03 м находится в пределах У;=73,00..74,49 %, степень крошения почвы фракции более 0,03 м У2=25,51..26,25 % , а тяговое сопротивление машины составляет У3=1,13..1,21 кН.
Литература
1. Agri - Holland. 1988. № 2. РР. 5-6.
2. Nene Getreidereinigungsmaschine "Primus A. R.". Bauart Happle. Die Muhe Mischfuttertechnick. BRD. 1981. № 29. Р. 67.
3. Pilot study of spiral-screw fertilizer distributor performance / А.Д. Кормщиков [etc] // Ecological aspects of mechanization of plant production: X international symposium. Warszawa, 2003. РР. 111-116.
4. Адаптивное кормопроизводство: проблемы и решения (к 80-летию Всероссийского института кормов имени В. Р. Вильямса). М. : ФГНУ «Росинформагротех», 2002. 524 с.
5. Нагорский И. С., Азаренко В. В., Клыбик В. К. Исследование энергоемкости фрезерования почвы // Труды 4-ой Межд. науч.-техн. конф. (Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике). М. : ВИЭСХ, 2004. Ч. 2. С. 39-43.
6. Schwanz H., Kutter W. Ein Leistungsfahiger Siebsichterzur Getreidereiniigung // Agrartechnik. 1980. Bd. 30. H. 11. РР. 495-497.
7. Wells L. G., Smith E. M., Hammett D. E. Analisus and Tesing of Powered Tillage Blades. Trans. of the ASAE. 1980. 23. № 6. РР.1383-1387.
8. Сеялка полосного посева : пат. 2283565 Рос. Федерация. МПКА01С 7/00, А01В 49/06; заявл. ; опубл, Бюл. № . 6 с.
9. Сеялка для посева семян трав в дернину : пат. 2196412 Рос. Федерация. A 01 C 7/00; опубл. 20.01.03, Бюл. № 2. 4 с.
10. Сеялка для полосного посева семян трав в дернину : пат. 2400040 Рос. Федерация. A 01 C 7/00; опубл. 27.09.10, Бюл. № 2. 6 с.
11. Рабочий орган почвообрабатывающей фрезы : пат. 2137325 Рос. Федерация. A 01 B 33/10; опубл. 20.09.99, Бюл. № 12. 4 с.
12. Сеялка для полосного посева семян трав в дернину. Заявл. 15.02.16. № 2016105039. 7 с.
13. ОСТ 70.4.2-1980. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Программа и методы испытаний. М. : Изд-во стандартов, 1980. 125 с.
PARAMETERS OF THE KNIFE OF IMPROVED SOWER SDK-2.8 SOIL CUTTER
R. F. Kurbanov, Dr. Eng. Sci., Professor; I. N. Khodyrev, Post-Graduate Student Vyatka State Agricultural Academy 133 Oktyabrsky Prospect, Kirov, 610017, Russia E-mail: kurrust@mail.ru
ABSTRACT
Radical and simplificated amelioration methods are used to improve natural and cultural forage lands. The latter is the most preferable in term of energy and resource saving. To implement this technology combined machines are used equipped with milling (active) working organs. L-shaped knives serve as working organs. Series-produced combined sod sower SDK-2.8 has a covered miller section with tillage organs in the form of two plates with L-shaped knives. A drawback of band tilling by means of L-shaped knives is evulsion of sod pieces out of the band edges and their sliding into tilled band. It deteriorates the quality of sowing and packing. Different constructions of L-shaped knives are often used to eradicate this drawback. However, these tillage tools have increased energy consumption of the process due to the loosening elements located on the radial section of knife, what increases dynamic component of soil resistance. We recommend the improved design of such knives where the wing has a cutout of metal with forming rear edge part bent at the angle a in a longitudinal vertical plane of the wing strut in the form of a trapezoid and the side edge along which a loosening element is rigidly fixed in the form of a plate. On-the-farm research on improvement of constructive parameters of designed knives was conducted in Kirovskaya oblast. At determining physical and chemical properties during the experiments, soil relative moisture constituted 14.9 %, soil hardness -23.98 kg/cm2, sod cohesion - 10.08 kN/m2. The Box-Behnken three-level experiment plan of the second order was implemented for three factors. Optimal indicators of the working process of cutter with improved L-shaped knives are obtained at following knife parameters: height of ripper h=10 mm, magnitude of cutter knife limb-wing b=10 mm, angle of bending of cutter knife wing a=30o. At these values of factors, soil crumbling degree of the fraction 0.0.03 m ranges from Y1=73.00..74.49 %, soil crumbling degree of the fraction more than 0.03 m Y2=25.51..26.25 % , and machine's tractive resistance =1.13..1.21 kN.
Key words: sower SDK-2.8, soil cutter, L-shaped knife, tillage, soil crumbling degree, tractive resistance.
References
1. Agri - Holland, 1988, No. 2, pp. 5-6.
2. Nene Getreidereinigungsmaschine "Primus A. R.", Bauart Happle, Die Muhe Mischfuttertechnick, BRD, 1981, No. 29, p. 67.
3. Pilot study of spiral-screw fertilizer distributor performance / A.D. Kormshhikov [etc] // Ecological aspects of mechanization of plant production: X international symposium, Warszawa, 2003, pp. 111-116.
4. Adaptivnoe kormoproizvodstvo: problemy i reshenija (k 80-letiju Vserossijskogo instituta kormov imeni V. R. Vil'jamsa) (Adaptive fodder production: problems and solutions (To the 80th anniversary of All-Russian fodder institute named after V.R. Vilyamsa)), Moscow, FGNU «Rosinformagroteh», 2002, 524 p.
5. Nagorskij I. S., Azarenko V. V., Klybik V. K., Issledovanie jenergoemkosti frezerovanija pochvy (Investigation of energy consumption of soil rotary cultivation), Trudy 4-oj Mezhd. nauch.-tehn. konf. (Jenergosberegajushhie tehnologii v rastenievodstve i mobil'noj jenergetike), Moscow, VIJeSH, 2004. Ch. 2, pp. 39-43.
6. Schwanz H., Kutter W. Ein Leistungsfahiger Siebsichterzur Getreidereiniigung, Agrartechnik, 1980, Bd. 30, H. 11, pp. 495-497.
7. Wells L. G., Smith E. M., Hammett D. E., Analisus and Tesing of Powered Tillage Blades. Trans. of the ASAE, 1980, 23, No. 6, pp. 1383-1387.
8. Sejalka polosnogo poseva (Band sower) : pat. 2283565 Ros. Federacija, MPKA01S 7/00, A01V 49/06; zajavl. ; opubl, Bjul. No., 6 p.
9. Sejalka dlja poseva semjan trav v derninu (Sower for sowing grass seeds into sod layer) : pat. 2196412 Ros. Feder-acija, A 01 C 7/00; opubl. 20.01.03, Bjul. No. 2, 4 p.
10. Sejalka dlja polosnogo poseva semjan trav v derninu (Sower for band sowing grass seeds into sod layer) : pat. 2400040 Ros. Federacija, A 01 C 7/00; opubl. 27.09.10, Bjul. No. 2, 6 p.
11. Rabochij organ pochvoobrabatyvajushhej frezy (Working organ of tillage rotary cutter) : pat. 2137325 Ros. Federacija, A 01 B 33/10; opubl. 20.09.99, Bjul, No. 12, 4 p.
12. Sejalka dlja polosnogo poseva semjan trav v derninu (Sower for sowing grass seeds into sod layer) . Zajavl. 15.02.16, No. 2016105039. 7 p.
13. OST 70.4.2-1980. Ispytanija sel'skohozjajstvennoj tehniki. Mashiny i orudija dlja poverhnostnoj obrabotki pochvy. Programma i metody ispytanij (Testing agricultural machines. Machines and equipment for surface tillage. Programme and techniques of testing), Moscow : Izd-vo standartov, 1980, 125 p.
УДК 631.365.22
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КОНТАКТНОГО ТИПА
B. И. Курдюмов, д-р техн. наук, профессор; П. С. Агеев, магистрант;
A. А. Павлушин, д-р техн. наук, доцент; Г. В. Карпенко, канд. техн. наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина», б-р Новый Венец, 1, г. Ульяновск, Россия, 432017 E-mail: vik@ugsha.ru. ageev petr@mail.ru, andrejpavlu@yandex.ru;
C. Г. Мударисов, д-р техн. наук, профессор;
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», ул. 50-летия Октября, 34, г. Уфа, Россия, 450001 E-mail: salavam@gmail.com;
B. И. Долгов, преподаватель,
Государственное образовательное учреждение средне-специального образования «Автомеханический техникум Ульяновского государственного университета», ул. Набережная реки Свияги, 158, г. Ульяновск, Россия, 432063 E-mail: uamt 158@rambler.ru
Аннотация. Использование принципов математического моделирования и математической теории больших систем, в сочетании с достижениями современной вычислительной техники, дают возможность перейти от реального процесса сушки к его формализованной математической модели. В данном случае на вход формализованной физико-химической системы поступают потоки сплошной среды, характеризующиеся вектором входных переменных (состав и параметры состояния отдельных фаз), которые в процессе обработки под действием технологических факторов преобразуются в вектор выходных переменных. Реальная зависимость заменяется её математической моделью, в которой отображают зависимость вектора выходных переменных от входных переменных и переменных состояния объекта сушки во времени. В явном виде модель является замкнутой системой аналитического описания процесса в виде дифференциальных, интегральных и дифференциально-интегральных уравнений с соответствующими краевыми условиями и эмпирическими соотношениями. Проведённые экспериментальные исследования разработанной установки для сушки зерна позволили определить ее оптимальные режимы работы: скорость движения зерна уз опт = 0,033 м/с, средняя температура греющей поверхности ¿п опт = 58 °С, скорость движения воздуха в УСЗ ув опт = 5,44 м/с. При этом минимальные удельные затраты теплоты на испарение влаги из зерна пшеницы составляют 3,1 МДж/кг.
Ключевые слова: математическое моделирование, зерносушилка, контактный нагрев, планирование эксперимента.
