CC BY
1УДК 631.42.620.178
ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВЫ
Киреев И.М., доктор технических наук, заведующий лабораторией, ведущий научный сотрудник, ; Коваль З.М., доктор технических наук, главный научный сотрудник; Зимин Ф.А., инженер, Новокубанский филиал ФГБНУ «Ро-синформагротех» (КубНИИТиМ). Данилов М. В.- кандидат технических наук, заведующий кафедрой ФГ-БОУ ВО «Ставропольского государственного аграрного университета».
Результатами испытаний приборов в сравнительных испытаниях по измерению сопротивлений почвы при погружении в нее плунжера показано, что при погружении плунжера в почву электронно-механическим прибором значения ее сопротивлений не зависят от влияния человеческого фактора и являются достоверными. Использование данных измерений сопротивления почвы электронно-механическим прибором в разработанных учеными математических моделях расчеты тяговых сопротивлений почвообрабатывающих машин будут более достоверными.
Ключевые слова: почва, устройство, измерения, точность, глубина, сопротивление, площадь фронтальной проекции, коэффициент террадинами-ческого сопротивления, тяговое сопротивление, коэффициент вариации.
DEVICE FOR DETERMINING RESISTANCE OF SOIL
Kireev I.M., Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, Leading Researcher;
Koval' Z.M., Doctor of technical Sciences, chief scientific officer, Zimin P.A., Engineer, Novokubansk branch of Federal State Budgetary Scientific Institution "Rosinformagrotech" (KubNIITiM), Danilov M.V. - Candidate of Technical Sciences, Associate professor of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Stavropol State Agrarian University"
The results of testing devices in comparative tests to measure the resistance of the soil when the plunger is immersed in it show that when the plunger is immersed in the soil with an electronic-mechanical device, the values of its resistance do not depend on the influence of the human factor and are reliable. The use of measurement data of soil resistance by an electronic-mechanical device in the mathematical models developed by scientists, the calculations of traction resistance of tillage machines will be more reliable.
Keywords: soil, device,
measurements, accuracy, depth, resistance, frontal projection area, coefficient of terradynamic resistance, traction resistance, coefficient of variation.
92
Введение. Технология почвообработки является одним из важных направлений и научных агроисследований в России [1]. Подготовка почвы представляет собой агротехническую характеристику ее обработки под посев растениеводческих культур при оптимальных энергетических затратах для получения качественной сельскохозяйственной продукции. Энергетические затраты агро-технологической почвообработки приведены в литературных источниках [2-6].
Показано, что случайные факторы при физической неоднородности почвенного слоя в перпендикулярном и горизонтальном направлении обуславливают также случайные сопротивления почвы при ее обработке различными конструктивными орудиями применительно к агротехническим требованиям. Поэтому вопросы рационального агрегатирования почвообрабатывающих орудий решаются только экспериментальным путем. По использованию мощности [2] на 70 - 75 % техники, нагрузка на двигатель составляет 34, 5-87, 5 % и на 95 % - 12-13 % [7]. Такие данные показывают, что тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины оценивать, наиболее рационально проводя расчетный метод.
Цель исследования. Определение достоверных показателей сопротивления почвы электронно-механическим прибором для расчета коэффициента террадинамического сопротивления, тягового сопротивления одного почвообрабатывающего рабочего органа и "почвообрабатывающих машин (орудий)".
Материалы и методы исследований. Расчетные методы тяговых сопротивлений, приведенные в литературных источниках [2-8], и из их анализа видно, что должны учитываться такие параметры, как физическая характеристика почвы, технологическое передвижение почвообрабатывающей машины и ее ширина захвата, глубина погружения рабочих органов в почву, ширина захвата рабочего органа, его угол крошения и угол атаки, а также площадь его фронтальной проекции для "удельного сопротивления отдельного рабочего органа "и почвообрабатывающей машины.
Из вышеперечисленных параметров и характеристик в теоретических расчетах могут использоваться "управляемые" данные по скорости движения почвообрабатывающей машины и заданной глубине погружения в почву ее рабочих органов. Поэтому динамические процессы являются наиболее сложными. При обработке почвы необходимы сведения о физико-механических характеристиках почвы при сохранении основных показателей надежности и качества, как результата функционирования почвообрабатывающих агрегатов. Учитывая особенности почвообработки учеными [8] применяются оригинальные ключевые термины: "террадинамика" и "коэффициент террадинамического сопротивления". В условиях почвообработки один из основополагающих элементов, изменяющих тяговое сопротивление машин с рабочими органами, есть незакономерный характер сопротивления (плотности) почвы. Вследствие этого, учеными [8] применены нижеследующие "детерминированные математические модели".
93
"Коэффициент террадинамического сопротивления Кд почвообрабатывающей машины подсчитывается по формуле (1) [8].
(1)
д Ти-У^-Р' '
Кя =
'П 'р
где Рр - тяговое сопротивление в кН почвообрабатывающей машины; ТП - твердость (плотность) почвы (кг/см2);
Vр - скорость напора (или динамическое давление) значение кинетической энергии, с размерностью давления;
V - скорость движения почвообрабатывающего агрегата, м/с; К - площадь фронтальной проекции рабочего органа в м2 при заданной глубине обработке почвы почвообрабатывающей машиной, устанавливается опытным путем".
"Удельное сопротивление Ка (кН/м) машины вычисляется по формуле (2)
_ К.} Т-У.у-Г'
(2)
где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов;
hcм - глубина обработки почвы, см;
Вр - рабочая ширина захвата почвообрабатывающей машины, м". "Тяговое сопротивление Ркр (кН) почвообрабатывающей машины вычисляется по формуле (3) (3)
1> =
К0тпу2р*
кр 2
"Средний коэффициент вариации тягового сопротивления Рр , подсчитывается по формуле (4)
(4)
гъ - ——■
г кр
Для оценки условий в почве, кроме плотности и пористости, очень важной является характеристика сопротивления почвы вхождению в нее стержней или клиньев, называемых плунжерами [9]. Всякое тело испытывает при движении сопротивление со стороны той среды, в которой происходит движение [10]. Вокруг плунжера в этот момент идет процесс уплотнения почвы. Сопротивление почвы вхождению плунжера находится в прямой и тесной зависимости от ее плотности. В системе координат, в которой движется тело (плунжер), а почва до прихода в нее плунжера грубо считается, что почвенный столб, находящейся на его пути, который плунжер проходит за время t (его масса равна М1 = р S и t ) при прохождении плунжера расступается и приобретает при этом скорость порядка и. Следовательно его энергия равна Е = М1 и2 / 2 = t р S и2 /2. Но она заимствована у тела (плунжера): такую работу должно было произвести тело (плунжер). Работа, производимая телом (плунжером) за время t, равна силе,
94
умноженной на путь: А = F и Приравняв А и Е из равенства Fи ^ = р и2/2 получается формула F = 5 р ь2/2 для силы, которая верно передает порядок этой величины: S-площадь сечения тела, р-плотность среды, и-скорость движения тела [11]. Плотность почвы является важным фактором урожая [10]. Для определения сопротивления почвы вхождению в нее плунжера служат так называемые твердомеры, пенетрометры, плотномеры и другие приборы различной конструкции [9, 10].
При применении твердомеров с различными плунжерами для измерения сопротивления почвы присутствует человеческий фактор при неоднородных показателях для получения мониторинга характеристик поля в системе точного земледелия.
При исследованиях сравнительных показателей измерения сопротивления почвы использовались существующие в настоящее время при испытаниях сельскохозяйственной техники приборы ВИСХОМа и ИП-232.
С целью автоматизации процесса измерения сопротивления почвы в Куб-НИИТиМ спроектирован и изготовлен электронно-механический измеритель сопротивления почвы ИП- 271. общий вид прибора приведен на рисунке 1 [12].
Рисунок 1. Электронно-механический измеритель сопротивления почвы
КубНИИТиМ ИП - 271 Результаты исследований и обсуждение. Фрагмент проведения измерения сопротивления почвы пенетрации электронно-механическим средством ИП - 271 в сравнении с твердомером ИП - 232 ручного принципа действия
приведен на рисунке 2.
Результаты обработки сравнительных данных измерений сопротивления
почвы при погружении в нее наконечников представлены в виде графических зависимостей на рисунках 3 и 4.
Сравнительные значения сопротивления почвы пенетрации электронно-механическим средством ИП - 271 в сравнении с твердомером ИП-232 ручного принципа действия (плунжер конической формы с углом при вершине
95
20..и площадью поперечного сечения 1,0 см2) приведены на рисунке 3.
Рисунок 2. Фрагмент проведения 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 и площадью поперечного сечения 1,0 см2)
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 .° и
площадью по перечного сечения 1,0 см2) Различные данные по сопротивлению почвы при погружении наконечника конической формы твердомера ИП-232 обусловлены человеческим фактором, оказывающим влияние при вращении его ручки.
На рисунке 4 приведены сравнительные данные средних значений твердо-
96
сти почвы от глубины погружения в нее наконечников, конусной, цилиндрической и полусферической форм с площадью поперечного сечения 1,0 см2.
ипззгя
10 15 20 25 30 Глубина погружения плунжера в почву, см
35
40
-Ряд! -"-Ряд2 РядЗ -1-Ряд4
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
Из данных рисунка 4 следует, что сопротивление почвы при погружении в нее наконечника цилиндрической формы (ряд 3) увеличивается по сравнению с данными, приведенными рядом 1 и рядом 2 при равнозначной площади поперечного сечения основания применяемых наконечников.
На рисунках 3, 4 значения МПа для расчета тяговых сопротивлений почвообрабатывающих машин определяются в кг с/см2 (1Мпа = 10.197162 кгс/см2).
Выводы. В результате измерений сопротивления почвы с учетом ее изменчивого характера, необходимо нахождение коэффициента террадинамического сопротивления, тягового сопротивления почвообрабатывающего рабочего органа и тягового сопротивления почвообрабатывающей машины в целом, для применения учеными детерминированных математических моделей.
97
Список использованных источников:
1. Указ Президента РФ от 01.12.2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации». - Собрание законодательства РФ. - 2016. - № 49.
- Ст. 6887.
2. Джабборов Н. И. Научные основы энерго-технологической оценки и прогнозирования эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов. - Душанбе: Изд. «Дониш», 1995. - 286 с.
3. Добринов А. В., Дементьев А. М., Джабборов Н. И. К вопросу проектирования почвообрабатывающих агрегатов под конкретные условия функционирования // Молодежь и инновации 2009: Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых, Ч. 2. -Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2009.
- С. 47-50.
4. Завалишин Ф. С. Основы расчета механизированных процессов в растениеводстве. - М.: Колос, 1973 -319 с.
5. ГОСТ 34631-2019. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки. - Введ. 202103-15. - М.: Межгосударственный стандарт: Стандартинформ. 2020. - 7 с.
6. Синеоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин - М.: Машиностроение, 1977.
- 328 с.
7. Джабборов Н. И. Научные основы энерготехнологической оценки и прогнозирования эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов. - Душанбе:
References
1. Decree of the President of the Russian Federation of december 1, 2016 No. 642 "On the Strategy for scientific and technological development of the Russian Federation". - Collection of legislation of the Russian Federation. -2016. - No. 49. - Art. 6887.
2. Dzhabborov N. I. Scientific bases of energy-technological assessment and forecasting of the efficiency of using mobile agricultural units. - Dushanbe: Ed. "Donish", 1995. - 286 p.
3. Dobrinov A. V., Dementiev A. M., Dzhabborov N. I. On the issue of designing soil-cultivating units for specific operating conditions // Youth and innovation 2009: Proceedings of the International scientific and practical conference of young scientists, Part 2.
- Gorki: Belarusian state agricultural academy, 2009. - P. 47-50.
4. Zavalishin F.S. Fundamentals of calculation of mechanized processes in crop production. - M.: Kolos, 1973 - 319 p.
5. GOST 34631-2019. Testing of agricultural machinery. Methods of energy assessment. - Input. 2021-03-15.
- M .: Interstate standard: Standartinform. 2020. - 7 p.
6. Sineokov G. N., Panov I. M. Theory and calculation of tillage machines - M.: Mashinostroenie, 1977.
- 328 p.
7. Dzhabborov N.I. Scientific basis of energy-technological assessment and forecasting of the efficiency of the use of mobile agricultural units. - Dushanbe: Ed. "Donish", 1995. - 286 p.
8. Dzhabborov, N. I. Terradynamics of tillage machines / N. I. Dzhabborov, D. S. Fedkin. - Text: direct // Young
98
Изд. «Дониш», 1995. - 286 с.
8. Джабборов, Н. И. Террадина-мика почвообрабатывающих машин / Н. И. Джабборов, Д. С. Федькин. - Текст: непосредственный // Молодой ученый. - 2015 - № 11 (91). -С. 311-315 - URL:https://moluch.ru/ агсЫуе/91/19474/ (дата обращения: 27.04.2023).
9. Вадюнина, А. Ф., Корчагина, З. А. Методы исследования физических свойств почв: учебники и учебные пособия для студентов вузов - изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.: ил.
10. Ревут, И.Б. Физика почв / И.Б. Ревут. - Л.: Колос, 1972. - 368 с.
11. Зельдович Я.Б., Яглом И.М. Высщая математика для начинающих физиков и техников,- М.:Наука.1982. 510 с.
12. Патент на полезную модель № 78574, МКИ G01N 9/00 Устройство для измерения твердости почвы / Киреев И.М., Трубицын Н.В., Коваль З.М., (РосНИИТиМ) (Яи); зарегистрирован 27.11.2008 г.
scientist. - 2015 - No. 11 (91). - P. 311-315 - URL: https://moluch.ru/ archive/91/19474/ (date of access: 04/27/2023).
9. Vadyunina, A. F., Korchagina, Z. A. Methods for studying the physical properties of soils: textbooks and teaching aids for university students - ed. 3rd, revised. and additional - M.: Agroprom-izdat, 1986. - 416 p.: ill.
10. Revut, I B. Physics of soils / I B. Roar. - L.: Kolos, 1972. - 368 p.
11. Zeldovich Ya.B., Yaglom I.M. Higher mathematics for beginner physicists and technicians, - M.: Nauka.1982. 510 p.
12. Utility model patent No. 78574, MKI G01N 9/00 Device for measuring soil hardness / Kireev I.M., Trubitsyn N.V., Koval Z.M., (RosNIITiM) (RU); registered 27.11.2008.
Сведения об авторах:
Киреев Иван Михайлович - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Новокубанского филиала Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Росинформагротех» (КубНИ-ИТиМ), e-mail: Kireev.I.M@mail.ru. Россия, г. Новокубанск.
Коваль Зинаида Михайловна -кандидат технических наук, главный научный сотрудник Новокубанского
Information about the authors:
Kireev Ivan - Full Doctor of Technical Sciences, leading researcher of Novokubansk branch of Federal State Budgetary Scientific Institution "Rosinformagrotekh", e-mail:
Hireev.I.M@mail.ru, Novokubansk, Russia.
Koval' Zinaida - Candidate of Technical Sciences, Chief Researcher of of Federal State Budgetary Scientific Institution "Rosinformagrotekh", e-mail:
99
филиала Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Росинформагротех» (КубНИ-ИТиМ), e-mail: zinakoval@mail.ru. Россия, г. Новокубанск
Зимин Филипп Александрович - инженер Новокубанского филиала ФГБНУ «Росинформагротех» (Куб-НИИТиМ), e-mail: zinakoval@mail.ru, 352243, Краснодарский край, Новокубанский район, г. Новокубанск, ул. Красная,15, Новокубанский филиал ФГБНУ «Росинформагротех» (Куб-НИИТиМ)
Данилов Михаил Владимирович - кандидат технических наук, заведующий кафедрой Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Ставропольского государственного аграрного университета», e-mail: danilomaster80@mail.ru.
zinakoval@mail.ru. Novokubansk, Russia.
Zimin Philip-Engineer of Novokubansk branch of Federal State Budgetary Scientific
Institution "Rosinformagrotekh"
(KubNIITiM) e-mail: zinakoval@mail. ru.Novokubansk, Russia.
Danilov Michael - Candidate of Technical Sciences, Associate professor of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Stavropol State Agrarian University", email: danilomaster80@mail.ru.
Stavropol, Russia.
100
