CC BY
9
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Научная статья УДК 631.316.022
Результаты определения крошения почвы при работе вибрационного культиватора
Николай Николаевич Устинов, Александр Сергеевич Мартыненко,
Артём Анатольевич Маратканов
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. В статье представлены результаты экспериментального исследования крошения почвы при работе вибрационного культиватора с активными рабочими органами. Вибрационное воздействие на почву осуществлялось путём применения в конструкции вибрационного культиватора гидравлической импульсной системы и активных рабочих органов со стойками в виде гибких трубчатых элементов. В результате обработки почвы - чернозёма выщелоченного - на глубину 15 см определены показатели крошения почвы, фракционный состав, массовая доля эрозионно опасных частиц при частотах колебаний рабочих органов 8, 12, и 30 Гц и без колебаний. Установлено, что фракционный состав почвы, определяющий структуру посевного слоя, существенно зависит от режима колебаний рабочих органов. Показано, что количество наиболее ценных водопрочных агрегатов размером 1 - 3 мм увеличивается при частоте колебаний рабочих органов 30 Гц на 93 %. Количество агрегатов размером более 10 мм при вибрационном воздействии рабочих органов уменьшается при частоте колебаний рабочих органов 30 Гц в 2,2 раза по сравнению с обработкой почвы без вынужденных колебаний рабочих органов. Одновременно при этом наблюдается увеличение доли эрозионно опасных частиц в обработанном слое в 3,76 раза.
Ключевые слова: вибрационный культиватор, активный рабочий орган, гибкий трубчатый элемент, крошение почвы, эрозионно опасная частица.
Для цитирования: Устинов Н.Н., Мартыненко А.С., Маратканов А.А. Результаты определения крошения почвы при работе вибрационного культиватора // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 85 - 88.
Original article
Results of determining soil crumbling during operation of a vibratory cultivator
Nikolay N. Ustinov, Alexander S. Martynenko, Artyom A. Maratkanov
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The article presents the results of an experimental study of soil crumbling during the operation of a vibrating cultivator with active tools. The vibration effect on the soil was carried out by using a hydraulic pulse system and active tools with racks in the form of flexible tubular elements in the design of a vibrating cultivator. As a result of tillage, leached chernozem, to a depth of 15 cm, the indicators of soil crumbling, fractional composition, mass fraction of erosively dangerous particles were determined, at the oscillation frequencies of the tools of 8, 12, and 30 Hz and without fluctuations. It is established that the fractional composition of the soil, which determines the structure of the seed layer, significantly depends on the mode of vibrations of the tools. It is shown that the number of the most valuable water-resistant aggregates with a size of 1 - 3 mm increases by 93% at the oscillation frequency of the tools of 30 Hz. The number of aggregates with a size of more than 10 mm under the vibration action of the tools decreases at a frequency of vibrations of the tools of 30 Hz by 2.2 times compared to tillage without forced vibrations of the tools. At the same time, there is an increase in the proportion of erosively dangerous particles in the treated layer by 3.76 times.
Keywords: vibratory cultivator, active tool, flexible tubular element, soil crumbling, erosion hazardous particle.
For citation: Ustinov N.N., Martynenko A.S., Maratkanov A.A. Results of determining soil crumbling during operation of a vibratory cultivator. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 85 - 88. (In Russ.).
Вопрос влияния вибрации рабочих органов почвообрабатывающих машин на тяговое сопротивление достаточно подробно изучен в работах отечественных и зарубежных исследователей [1, 2]. Вместе с тем ключевыми показателями для определения эффективности работы почвообрабатывающих машин следует считать показатели качества выполнения операции по обработке почвы. В этой связи актуальным является опреде-
ление качественных показателей вибрационного культиватора с новым типом активных рабочих органов со стойками в виде гибких трубчатых элементов [3, 4]. Вибрационное воздействие на почву в предложенной конструкции осуществляется за счёт гидравлической импульсной системы. При подаче в полость гибких трубчатых элементов импульсного давления рыхлительные лапы культиватора совершают вынужденные колебания [5 - 9].
Цель исследования - обоснование режимов работы вибрационного культиватора для повышения качественных показателей обработки почвы.
Одной из задач является определение крошения почвы, её фракционного состава при различных частотах колебаний активных рабочих органов.
Материал и методы. Для проведения экспериментальных исследований создан экспериментальный вибрационный культиватор на базе рамы культиватора КПЭ-3.8 (рис. 1). Ширина захвата культиватора составляет 3 м, на раме расположено 5 рабочих органов со стойками в виде гибких трубчатых элементов. Геометрические параметры стоек: радиус кривизны стойки - 332 мм, размер большой и малой полуоси сечения трубчатого элемента - 70*30 мм, толщина стенки трубчатого элемента - 4,8 мм [6, 7].
Гидравлическая система вибрационного культиватора состоит из редукционного клапана и трёх гидроклапанов с электромагнитным управлением. Импульсное воздействие на почву происходит в результате подачи давления во внутреннюю полость стоек в виде гибких трубчатых элементов. Частота пульсаций давления может изменяться контроллером путём формирования управляющего сигнала на электромагнитные клапаны.
Вибрационный культиватор агрегатировался с трактором МТЗ-82. Культивация проводилась при частоте колебаний рабочих органов 8, 12 и 30 Гц и без колебаний, по стерневому фону, при глубине обработки 15 см. Тип почвы - чернозём выщелоченный. Участок испытаний характеризовался слабовыраженным микрорельефом (менее 3 см). Влажность почвы в исследуемом слое не выходила за пределы агротехнических требований, относительная влажность составля-
Рис. 1 - Вибрационный культиватор с активными рабочими органами:
1 - рама культиватора КПЭ-3.8; 2 - активные рабочие органы со стойками в виде гибких трубчатых элементов; 3 - гидравлическая импульсная система
ла 12,28 - 19,98 %. Твёрдость почвы на участке соответствовала рыхлому сложению от 0,25 до 0,81 МПа. Плотность почвы составляла в среднем 1,89 г/см2.
Крошение почвы определялось по пробам, отбираемым в четырёх точках участка с площадок на глубине обработки не ранее чем через час после прохода агрегата. Пробу просеивали на комплекте решёт с диаметрами отверстий 10; 7; 5; 3; 1; 0,5 и 0,25 мм. После просеивания содержимое каждого решета взвешивалось с погрешностью не более ±50 г и вычислялась массовая доля 7-й фракции комков:
т
п к7 = т 100,%,
т0
(1)
где т7 - масса 7-й фракции в пробе, кг;
т00 - общая масса пробы, кг.
Содержание эрозионно опасных частиц в слое почвы 0 - 15 см определяли после прохода агрегата. На каждом проходе отбирали пробы массой не менее 2,5 кг. Отобранные пробы почвы в лабораторных условиях доводили до воздушно-сухого состояния и просеивали через решёта с различным диаметром отверстий - 0,5 и 0,25 мм. Массу фракции (проход решета диаметром менее 1 мм) взвешивали с погрешностью не более ±10 г. Массовую долю эрозионно опасных частиц определяли по формуле (1).
Результаты исследования. В таблице 1 представлены результаты обработки экспериментальных данных по влиянию частоты колебаний рабочих органов вибрационного культиватора на фракционный состав почвы. Структура строения посевного слоя оказывает значительное влияние на качество сева, потерю влаги, набухание семян, развитие корневой системы, эффективное использование удобрений. В годы с острым дефицитом влаги строение почвы играет ещё более существенную роль, чем в годы с благоприятными погодными условиями.
Как видно по таблице 1, фракционный состав почвы, определяющий структуру посевного слоя, существенно зависит от режима колебаний рабочих органов. Ценная с агрономической точки зрения структура почвы должна быть представлена водопрочными агрегатами размером от 1 до 10 мм, а наиболее ценная - от 1 до 3 мм. Уровень окультуренности чернозёмов определяется, наряду с другими критериями, процентным содержанием водопрочных агрегатов в почве: высокое - 45 - 55 %, среднее - 35 - 45 %, низкое - менее 35 % [8].
Количество ценных водопрочных агрегатов (рис. 2), размером 1 - 10 мм, при малых частотах колебаний рабочих органов 8 - 12 Гц существенно не отличается от обработки почвы без вынужденных колебаний рабочих органов. При увеличении частоты колебаний до 30 Гц наблюдается
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5)_Technical Sciences
1. Результат обработки экспериментальных данных по влиянию частоты колебаний рабочих органов вибрационного культиватора на фракционный состав почвы
Размер фракций, мм Частота колебаний рабочих органов, Гц
30 12 8 Без колебаний
масса, г. массовая доля, % масса, г. массовая доля, % масса, г. массовая доля, % масса, г массовая доля, %
>10 82,88 16,58 128,23 25,65 157,35 31,47 183,68 36,74
10 45,99 9,20 37,64 7,53 63,59 12,72 67,38 13,48
7 37,33 7,47 36,32 7,26 44,89 8,98 59,00 11,80
5 60,52 12,10 65,06 13,01 66,13 13,23 67,40 13,48
3 32,63 6,53 26,04 5,21 23,30 4,66 17,06 3,41
2 101,26 20,25 98,12 19,62 79,34 15,87 64,23 12,85
1 64,74 12,95 50,92 10,18 34,17 6,83 21,42 4,28
0,5 39,04 7,81 31,49 6,30 19,17 3,83 11,15 2,23
0,25 35,61 7,12 26,18 5,24 12,07 2,41 8,68 1,74
Итого 500,00 100,00 500,00 100,00 500,00 100,00 500,00 100,00
увеличение ценных водопрочных агрегатов на 15 %. Вместе с тем количество наиболее ценных агрегатов размером 1 - 3 мм увеличивается при частоте 30 Гц на 93 %.
Важно отметить, что требуемые параметры структуры почвы, оптимальной с агрономической точки зрения, в данном случае можно получить целенаправленно путём выбора режима работы вибрационного культиватора.
Для оценки качества крошения представляет интерес наличие в обработанном слое комков размером более 10 мм и эрозионно опасных частиц размером менее 1 мм [11, 12]. Как видно из диаграммы, представленной на рисунке 3, количество агрегатов размером более 10 мм при вибрационном воздействии рабочих органов уменьшается при частоте колебаний рабочих органов 30 Гц в 2,2 раза по сравнению с обработкой почвы без вынужденных колебаний рабочих органов. Одновременно при этом наблюдается увеличение доли эрозионно опасных частиц в обработанном слое в 3,76 раза. Содержание эрозионно опасных частиц, особенно в
68,49
о о
8 m * g
к та
62,82
62,28
39,72
35,02
59,30
27,36
20,54
Рис.
80,00 -| 70,00 -60,00 -50,00 -40,00 -30,00 -20,00 -10,00 -
0,00 -
30 Гц 12 Гц 8 Гц Без колебаний
ЕЗ 1-10 мм ® 1-3 мм
2 - Массовая доля водопрочных агрегатов в обработанном слое почвы при различной частоте колебаний рабочих органов
40,00
35,00 -
30,00 -
25,00
20,00 -
15,00
10,00 -
5,00
0,00
36,74
31,47
25,65
16,58
14,93
11,53
6,25
3,97
30 Гц 12 Гц
ЁЗ Более 10 мм
8 Гц Без колебаний Менее 1 мм
Рис. 3 - Массовая доля агрегатов более 10 мм и эрозионно опасных частиц с диаметром менее 1 мм в обработанном слое почвы при различной частоте колебаний рабочих органов
поверхностном слое почвы от 0 до 5 см, может служить аргументом, ограничивающим применение вибрации для обработки почвы. Однако распределение этих частиц в данном случае в слое почвы глубиной 15 см может служить темой для дополнительных исследований.
Выводы. По результатам исследования установлено, что фракционный состав почвы, определяющий структуру посевного слоя, существенно зависит от режима колебаний рабочих органов. Показано, что количество ценных водопрочных агрегатов, размером 1 - 10 мм, при малых частотах колебаний рабочих органов 8 - 12 Гц существенно не отличается от обработки почвы без вынужденных колебаний рабочих органов. При увеличении частоты колебаний до 30 Гц наблюдается увеличение ценных водопрочных агрегатов на 15 %. Количество наиболее ценных агрегатов размером 1 - 3 мм увеличивается при
частоте 30 Гц на 93 %. Количество агрегатов размером более 10 мм при вибрационном воздействии рабочих органов уменьшается при частоте колебаний рабочих органов 30 Гц в 2,2 раза по сравнению с обработкой почвы без вынужденных колебаний рабочих органов. Одновременно при этом наблюдается увеличение доли эрозионно опасных частиц в обработанном слое в 3,76 раза.
Литература
1. Keppler I., Hudoba Z., Oldal I., Csatar A. Discrete element modeling of vibrating tillage tools // Engineering Computations. 2015; 20 April: 309 - 328.
2. Третьяков А.И. Анализ конструкторско-исследова-тельских работ по вибрационным рабочим органам лесных почвообрабатывающих орудий // Воронежский научно-технический вестник. 2013. № 3 (5). С. 90 - 101.
3. Припоров Е.В., Самурганов Г.Е. Сравнительный анализ культиваторов для предпосевной обработки почвы //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 1 (81). С. 77 - 81.
4. Припоров Е.В. Технологические, энергетические и экономические показатели работы универсального парового культиватора // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 3 (83). С. 198 - 201.
5. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Исследование собственных частот колебаний гибких трубчатых систем куль-
тиваторов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 153 - 156.
6. Пирогов С.П., Черенцов Д.А., Кокошин С.Н. Моделирование напряжённо-деформированного состояния трубчатой стойки культиватора //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 141 - 144.
7. Кокошин С.Н., Кизуров А.С., Ташланов В.И. Схема управления адаптивной подвеской культиваторов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 149 - 153.
8. Кокошин С.Н., Ташланов В.И. Способ стабилизации глубины обработки почвы культиваторами с упругими свойствами // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 6 (86). С.120 - 124.
9. Устинов Н.Н. Рабочий орган культиватора // Сельский механизатор. 2015. № 12. С. 30 - 31.
10. Маратканов А.А., Устинов Н.Н., Смолин Н.И. Амплитудно-частотная харктеристика гибкой трубчатой стойки культиватора // Вестник Курганской государственной сельскохозяйственной академии. 2013. № 4 (8). С. 88 - 90.
11. Кузыченко Ю.А. Научное обоснование эффективности систем основной обработки почвы под культуры полевых севооборотов на различных типах почв Центрального и Восточного Предкавказья: дис. ... д-ра. с.-х. наук. Ставрополь, 2014. 290 с.
12. Кузыченко Ю.А. Энергетические показатели крошения почвы при обработке в пропашном звене севооборота в зоне Центрального Предкавказья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 3 (83). С. 188 - 191.
Николай Николаевич Устинов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО«Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, UstinovNikNik@mail.ru
Александр Сергеевич Мартыненко, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, techagro72.tsaa@yandex.ru
Артём Анатольевич Маратканов, соискатель. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, maratkanov.avto@mail.ru
Nikolay N. Ustinov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia UstinovNikNik@mail.ru
Alexander S. Martynenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, techagro72.tsaa@yandex.ru
Artyom A. Maratkanov, research worker. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen,
625003, Russia, maratkanov.avto@mail.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.316.02
doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-88-92
Теория клина, совершающего сложное движение
Иван Иванович Рудченко, Алексей Евгеньевич Матущенко,
Александр Александрович Полуэктов, Илья Иванович Ханжиян
Кубанский государственный аграрный университет
Аннотация. Многие рабочие органы и механизмы современных сельскохозяйственных машин совершают сложное движение, которое может быть сведено к простому движению вокруг некоторой мгновенной оси. Задачи динамики машин весьма разнообразны. Это объясняется сложностью происходящих в них динамических процессов. Особое значение приобретают теоретические методы исследования, позволяющие установить ещё в процессе проектирования закономерности движения машинного агрегата. Для определения рациональной формы рабочего органа, кинематических и размерных параметров механизма предлагается теория нахождения рабочей грани клина, совершающего сложное движение.
Ключевые слова: сельскохозяйственные машины, рабочие органы, сложное движение, теория клина.
Для цитирования: Теория клина, совершающего сложное движение / И.И. Рудченко, А.Е. Матущенко, А.А. Полуэктов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 88 - 92. doi: 10.37670/2073-0853-2021-91-5-88-92.
