CC BY
51
_05.20.00 ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ_
05.20.01 УДК 631.319.2
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЕОБРАЗУЮЩЕГО КАТКА
© 2018
Дмитрий Александрович Молодченков, аспирант
Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия) Евгений Алексеевич Лисунов, доктор технических наук, профессор кафедры «Технический сервис» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Аннотация
Введение: статья посвящена вопросу качественного обеспечения посева пропашных культур по гребневой технологии. Основной целью данной операций является размещение семян в оптимальных условиях для скорейшего их прорастания. Наиболее полно данным требованиям может отвечать гребневой способ размещения семян на поверхности поля. Проведенный авторами анализ материалов по данной тематике выявил ряд сложностей при реализации данного способа возделывания: сложность конструкций посевных агрегатов, неспособность в полной мере обеспечить качество проводимой операции, необходимость в большом количестве применяемых агрегатов и машин, невозможность использования для этих целей серийных машин для возделывания по «гладкой» технологии.
Материалы и методы: исходя из анализа известных конструкций посевных машин для гребневого посева авторами предложена конструкция профилеобразующегого катка, позволяющая при незначительной модернизации серийно выпускаемых сеялок для пропашных культур (кукурузы) проводить посев по гребневой технологии. Конструкция катка позволяет одновременно с формированием гребня почвы проводить его уплотнение в соответствии с агротехническими требованиями, учитывая постоянно изменяющиеся почвенные условия. Результаты: по результатам теоретических исследований авторами получены аналитические выражения, устанавливающие зависимости между геометрическими параметрами профилеобразующего катка и плотностью почвы в формируемом гребне.
Обсуждение: проведенный анализ геометрических параметров профилеобразующего катка показывает, что в большей степени на плотность почвы в гребне оказывают такие составляющие, как: диаметр сферических дисков, радиус кривизны сферической поверхности, угол их установки к направлению движения, глубина погружения их в почву, а также диаметр и расположение прикатывающего ролика.
Заключение: экспериментальная проверка предлагаемого профилеобразующего катка в значительной степени подтверждает результаты теоретических исследований. Профилеобразующий каток обладает высокой эффективностью и работоспособностью. Оригинальная конструкция позволяет не только сформировать гребень почвы и уплотнить его, но и минимизировать влияние неоднородности почвенной среды на данный процесс. Ключевые слова: гребень почвы, давление, диаметр сферического диска, кукуруза, минимальный радиус прикатывающего ролика, плотность почвы, профилеобразующий каток, прикатывающий ролик, прикатывание, радиус выпуклой поверхности, способ посева, сферический диск, угол атаки, ширина прикатывающего ролика.
Для цитирования: Молодченков Д. А., Лисунов Е. А. Выбор и обоснование геометрических параметров профилеобразующего катка // Вестник НГИЭИ. 2017. № 1 (80). С. 33-43.
CHOICE AND JUSTIFICATION OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF A PROFILE PASSWORD RINK
© 2018
Dmitrij Aleksandrovich Molodchenkov, the postgraduate student
Nizhny Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino (Russia) Eugenii Alekseevich Lisunov, Dr. Sci (engineering), the professor of the chair «Technical services» Nizhny Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino (Russia)
Abstract
Introduction: he article is devoted to quality assurance of planting row crops on raised bed technology. The main purpose of these operations is the placement of the seeds in optimal conditions for early germination. Most fully to these requirements may answer the raised bed method of placing seeds on the surface of the field. The authors ' analysis of materials on the subject revealed a number of difficulties in implementing this method of cultivation: the complexity of the structures of seeders, the inability to fully ensure the quality of operations, the need for a large number of used machines, machinery, impossibility of the use for these purposes is a serial of machines for cultivation by the "smooth" technology.
Materials and Methods: based on the analysis of known designs of machines for sowing ridge sowing, the authors propose a design profile password rink, allowing for a slight modernization of commercially available seeders for row crops (corn) to carry out sowing on raised bed technology. The design allows for the rink simultaneously with the formation of the ridge of soil to hold its seal in accordance with agro-technical requirements in view of the constantly changing soil conditions.
Results: by results of theoretical researches, authors have received the analytical expressions establishing dependences between geometrical parameters of a skating rink the creating profile rink and density of the soil in the formed crest. Discussion: carried out the analysis of geometrical parameters of a skating rink the creating profile rink shows that more such components as diameter of spherical disks, radius of curvature of a spherical surface, the angle of their installation to the direction of the movement, depth of their immersion to the soil and also diameter and an arrangement of the arriving roller render on soil density in a crest.
Conclusions: experimental check of the offered skating rink the creating profile substantially confirms results of theoretical researches. The skating rink the creating profile has high efficiency and working capacity. The original design allows not only to create a crest of the soil and to condense it, but also to minimize influence of heterogeneity of the soil environment on this process.
Keywords: soil crest, pressure, diameter of a spherical disk, corn, minimum radius of the compacting roller, the soil density, skating rink the creating profile, the compacting roller, compacting, way of crops, radius of a convex surface the, spherical disk, angle of attack, the width of the compacting roller.
For citation: Molodchenkov D. A., Lisunov E. A. Choice and justification of geometrical parameters of a profile password rink // Bulletin NGIEI. 2018. № 1 (80). P. 33-43.
Введение
Немалое значение на урожайность при производстве пропашных культур (кукурузы) оказывает своевременность и правильность выполнения посевной операции. Основной целью данной операции является размещение семян в оптимальных условиях для скорейшего их прорастания. Как известно, на скорость прорастания наибольшее влияние оказывают такие факторы, как: обеспечение семян теплом, влагой, воздухом при оптимальном уплотнении почвы. Наиболее полно данным требованиям может отвечать гребневой способ размещения семян на поверхности поля. Этот способ позволяет проводить посев в более ранние сроки, пока в почве находится большое количество влаги, также при применении данного способа посева растения получат большее количество тепла, что позволит получить более ранний урожай [1, а 8; 2, с. 4; 3, с. 18; 4, с. 5]. Проведенный авторами анализ материалов по данной тематике выявил ряд сложностей при реализации данного способа возделывания: сложность конструкций посевных агрегатов, неспособность в полной мере
обеспечить качество проводимой операции [5, с. 39], необходимость в большом количестве применяемых агрегатов и машин [6, а 41], невозможность использования для этих целей серийных машин для возделывания по «гладкой» технологии.
Материалы и методы
Для проведения посева кукурузы гребневым способом авторами предлагается оснастить серийно выпускаемые модели сеялок разработанным и запатентованным профилеобразующим катком [7, с. 1], который позволяет одновременно с заделыванием семян формировать гребень почвы, а также уплотнить его для оптимального контакта семени и почвы.
Каток (рис. 1) состоит из рамы 2, на которой закреплены подшипники 3, в подшипники установлены валы 4, на нижних концах которых закреплены оси 5. На осях установлены ступицы 6 с закрепленными на них сферическими дисками 7. Сферические диски установлены выпуклой поверхностью к оси симметрии катка и имеют возможность изменять угол к направлению движения (угол атаки) посредством поворота совместно с валом.
Рис. 1. Профилеобразующий каток Fig. 1. Skating rink the creating profile
Для симметричного изменения угла направления движения обоих дисков на верхних концах валов закреплены разнонаправленные рычаги 8, которые через шарнирное соединение передают усилие, создаваемое дисками при движение на тягу 9, которая, в свою очередь, - на натяжную пружину 15. Угол к направлению движения сферических дисков во время работы регулируется изменением усилия на натяжной пружине.
Уплотнение центральной части гребня осуществляется прикатывающим роликом 10, установленным между сферическими дисками.
Процесс посева заключается в следующем:
1) полозовидный сошник сеялки подготавливает посевное ложе (смещает верхний высохший слой почвы, выравнивает);
2) высевающий аппарат размещает семена на поверхности подготовленной почвы;
3) прикатывающее колесо сеялки вдавливает семена в почву;
4) идущие следом сферические диски профи-леобразующего катка, перекатываясь, одновременно сгребают почву в гребень и уплотняют его с боковых сторон, прикатывающий ролик уплотняет центральную часть гребня в зоне расположения семян.
Известно, что на процесс уплотнения почвы влияет ее физическое состояние и в немалой степени - ее влажность [8, а 156].
Поскольку почвенные условия даже в пределах одного участка могут существенно различаться
[9, ^ 153; 10, с. 8], то для создания оптимальной плотности на всем протяжении гребня возникает необходимость варьирования давления на почву. Варьирование давления в конкретной точке происходит за счет того, что почва при движении катка оказывает давление на выпуклую поверхность сферических дисков, величина этого давления зависит от почвенных условий (влажности, плотности и др.), таким образом угол атаки дисков будет изменяться за счет их проворачивания совместно с валом и растягивания пружины с помощью рычагов и тяги. Вследствие чего образуется гребень почвы с требуемой плотностью в центральной его части в зоне расположения семян, это ускоряет процесс прорастания семян и способствует увеличению урожайности возделываемых культур.
Результаты
1. Теоретическое обоснование параметров профилеобразующего катка.
1.1. Обоснование диаметра и радиуса кривизны сферических дисков профилеобразующего катка.
Для определения диаметра сферических дисков воспользуемся формулой Синеокова Г. Н. [11, с. 220], которая устанавливает взаимосвязь диаметра диска с глубиной его погружения в почву
Б = ка, (1)
где a - глубина обработки, м; k = 3-6 - коэффициент, выбираемый исходя из конструкции агрегата и условий его работы.
Величина кривизны сферической поверхности диска, как известно, напрямую зависит от его диаметра [12, с. 86; 13, с. 61]
R = , (2)
/ 2 sin <
где 2ф - угол при вершине сектора, град.
Важным параметром, влияющим на работу сферических дисков, является его толщина [14, c. 71]. Данный параметр можно определить по эмпирической формуле
t = 0,008D +1. (3)
Таким образом, подставив в известные выражения требуемые параметры и приняв наиболее предпочтительный из стандартного ряда, был выбран диск диаметром D = 0,45 м; радиусом сферической поверхности R = 0,55 м; толщиной t = 0,005 м.
1.2. Определение влияния угла атаки и параметров сферических дисков на плотность почвы в гребне.
Как известно, процесс уплотнения почвы происходит ввиду того, что от приложенного усилия частицы почвы перемещаются относительно друг друга, расстояние между частицами уменьшается, т. е. объем пор, в которых располагалась влага и воздух, становится меньше, тем самым происходит увеличение объемного веса [15, с. 52; 16, с. 22].
Применительно к нашему катку плотность и параметры почвенного гребня будут зависеть от количества почвы, сдвигаемой из междурядий и впоследствии сжимаемой сферическими дисками.
Определить плотность почвы после прохода сферических дисков катка можно по формуле
Р2 =Pi -Ар , (4)
где pi - плотность почвы до прохода профилеобразующего катка, кг/м3; Ар - коэффициент приращения плотности в гребне после прохода катка.
Для определения плотности в гребне воспользуемся рисунком 2, из которого следует, что величина уплотнения гребня будет зависеть от диаметра сферического диска, радиуса его кривизны, глубины погружения в почву и угла его установки к направлению движения (угла атаки).
По рисунку 2 коэффициент приращения плотности в гребне Ар можно определить исходя из соотношения площади фигуры Sefgk к площади Sclma.
Ар =
Sr.
(5)
Поскольку фигура ЕБОК является прямоугольником, то ее площадь будет равна
ьл
SEFGK = EF - EK = KG - FG = "
2
(6)
где ЕБ = КО = Ьй/2 - равно расстоянию от края сферического диска (режущей плоскости) до оси сим-
метрии профилеобразующего катка, м., EK = FG = H - глубина погружения диска в почву, м.
Рис. 2. Схема к определению величины уплотнения почвы в гребне Fig. 2. Scheme to determine the amount of soil compaction in the crest
Площадь фигуры Sclma можно определить из
разности площадей фигур S и S
s1 = s1
"CLMA EFGK
_ о = LdH ç
S л глп S л
(7)
Площадь и форма деформируемой фигуры §абс будет варьироваться в зависимости, как сказано ранее, от диаметра сферического диска, радиуса его кривизны, глубины погружения в почву и угла его установки к направлению движения (угла атаки).
Для связи всех этих параметров рассмотрим рисунок 3, на котором показаны области сферического диска, работающие при различных углах его поворота к направлению движения. Как видно из рисунка (фиг. 2), в случае установки диска под углом 90 градусов к оси движения диск работает всей поверхностью, погруженной в почву, таким образом диск будет захватывать максимальный по площади (А90) почвенный пласт и, наоборот, при угле атаки 0 градусов (фиг. 1) площадь почвы, смещаемая диском, будет минимальна и равна площади проекции диска (А0) на вертикальную плоскость, перпендикулярную направлению движения. Наиболее сложным случаем для определения площади сдвигаемой почвы является положение, когда угол установки диска находится в интервале от 0 до 90 градусов (фиг. 4). В этом случае можно условно разделить диск на две работающие поверхности Аь и Ар, величина проекций которых на вертикальную плоскость будет зависеть от угла установки диска в и изменяться по различным закономерностям.
2
Рис. 2. Области диска, работающие при различных углах атаки в на глубине погружения Н Fig. 3. The regions of the disk that operate at different angles of attack в at the immersion depth H
Таким образом, проанализировав рисунок 3 можно сделать вывод, что при угле атаки в = 0° площадь SADC = А0, а при в > 0° SADC = Аь+Ар.
Площадь фигуры давления Ар может быть определена как спроецированная площадь вогнутой стороны диска А90 на вертикальную плоскость, перпендикулярную направлению движения на угол в.
Ар = А90 бш р . (8)
Площадь Л90 определим по формуле:
Ао - ■
яй*2у 1
-- R2 sin2y =
R2 (лу- 90sin2y)
(9)
360 2 " 180
где R - радиус диска, м; 2у - угол сегмента диска, погруженного в почву на глубину H, град.
Величину угла у определяем по формуле:
у - arccos
Rd - н R,
(10)
где Н - глубина погружения диска в почву, м. Таким образом
R2
Д>0
R - H
л arccos
R
- 90 sin 21 arccos
R - H
R
180
,(11)
следовательно
(
R2
A =■
л arccos-
R - H
R
- 90 sin 21 arccos
R - H
R
180
.(12)
с sin p
Из формулы (12) следует, что площадь фигуры Ар будет увеличиваться с увеличением угла в, в случае, когда угол в=0, соответственно и площадь вертикального давления Ар, будет равна нулю -
диск будет оказывать давление на почву только областью Л0, как показано на рисунке 3 в проекции 1.
Чтобы вычислить площадь Ао, необходимо определить площадь кругового сектора Sсект ОСа с углом 5, площадь равнобедренного треугольника ЛОСА и площадь прямоугольного треугольника АБСА (рис. 4).
A SсектОСА OCA + DCA •
(13)
Для определения площади кругового сектора Scект ОСА необходимо определить величину угла 5, его можно вычислить через длину отрезка АС, являющегося одновременно гипотенузой прямоугольного треугольника АБСА и основанием равнобедренного треугольника ЛОАС. Величину отрезка АС можно определить из АБСА, поскольку параметр Н-глубина погружения диска в почву величина известная, то остается определить величину отрезка БС.
Длину отрезка БС определим исходя из того, что он является высотой кругового сегмента окружности радиусом
DC - Rs -J R2 - L-.
(14)
где Ь - хорда окружности радиусом Я8, м;
Для определения радиуса окружности применим формулу для расчета сферического сегмента [17, с. 71]:
Л, =7И (2Я - И), (15)
где Я - радиус сферы (кривизны) диска, м; Ь - высота сферического сегмента, м;
Высоту сферического сегмента Ь можно определить из известных нам параметров радиуса сферы
(кривизны) диска, радиуса диска и глубины погружения:
И = Я - Яа + Н . (16)
Длину хорды Ь определим по формуле:
Ь = 2 ^Н (2Яа - Н) , (17)
подставив полученные зависимости в формулу (14), определим величину отрезка БС:
БС = ф{ 2 - Я2 + 2ЯЛН - Н2 Я 2 - Я2 . (18)
си
<p ^ L \
s /
1 В
1 1С Г 1 \ 0/
/
Рис. 4. Схема к определению площади смятия почвы сферическим диском
при угле атаки в = 0 градусов Fig. 4. Scheme to determine the area of crumpling of the soil by a spherical disc at an angle of attack в = 0 degrees
По теореме Пифагора определим величину гипотенузы AC:
AC = VDA2 + DC2 . (19)
Подставив в данную формулу ранее полученное выражение (18), получим следующую зависимость:
AC =
+ UR2 -R2 + 2RdH -H2 -JR2 -R]
4r1 - R) . (20)
Далее применим теорему косинусов и найдём угол сектора 5:
АС2 = СО2 + АО2 - 2 • СО • АО • со8 8 , (21) поскольку СО=ЛО=Я уравнение примет вид
АС2 = 2Я2 - 2Я2со8 8, (22)
следовательно
5 = arccos
2R - AC2 2R2
(23)
подставим в (23) уравнение (20) и найдем из полученной формулы угол 5, град.
5 = arccos-
2R
(24)
По полученному углу определим площадь кругового сектора S^ ОСА
nR arccos -
2R
nR 5
360 360
. (25)
Далее вычислим площадь равнобедренного треугольника АОСЛ и прямоугольного треугольника АБСА:
1
£
■0 OCA =-R sin 5 ,
(26)
so dca =1 DC ■ DA = 1 (Jr2 - R2 + 2RdH - H2 -s]R2 - R2 ) H .
-ТЯ^-ЯТ) Н . (27)
Исходя из полученных зависимостей мы можем определить площадь Л0.
2Я2 -Н2 +(^/я2 -Я2 + 2ЯН -Н2 у/Я1 -Я2 )2
nR2
Ao =
2R
360
-■^i?2 sin 5 + 1(%/R2 -R] + 2RH -H2 R2 -R] )H
л/R2-RT) h
.(28)
Для того, чтобы найти площадь фигуры Ль, необходимо признать Ль = 0 при в > а и Ль = Л0 при в = 0°.
Поскольку зависимость площади Ль от угла атаки диска в имеет нелинейный характер и ее точное определение не представляется возможным, поэтому мы используем упрощенную формулу [18, с. 94]
а-р
Ab = А>~
а
(29)
где а - угол между касательной, проведенной к выпуклой стороне диска на глубине погружения Н, и режущей плоскостью, град.
а = arccos
Rs - DC R
(30)
Следовательно
а
2R - H' +IJ R' - R22 + 2RH - H' -J R - R'
+
R' + 2RH - H2-JR2 - R2 | H :
' R. -J R2 - R] + 2RH - H2 -Ji2 - R2
arccos-1-"--p
_Rs_
R. -J R2 - Rj + 2RH - H2 -J R2 - R2.
arccos—-—*-"-
.(31)
S
Используя полученные зависимости (12) и (31), определим площадь фигуры SЛDC, деформируемой сферическим диском:
2R2 - H2 + Ш
+
1п2 _ п2
И2 _ /Р2 _ р2
— sin p
.(32)
Подставляя (32) в (7), а затем (7) и (6) в формулу (5) с последующей ее подстановкой в (4), определим плотность почвы в гребне после прохода сферических дисков профилеобразующего катка:
2R2 - H2 + UR2 - R2 + 2RH - H2 )
n 5+1
- R sin 5+-(,/R2 - R + 2RH - H2-JR2 - R1 H :
-.(R2 - R + 2RH - H' - JR2 - R
л'arccos- 90 sin2 i arccos 'd-
R + 2RH - H2 -JR2 - r2
.(33)
1.3. Обоснование конструкции и параметров прикатывающего ролика профилеобразующего катка.
Во время движения прикатывающего ролика, как известно, почва испытывает сложные деформации. Частицы почвы перемещаются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении, описывая некую траекторию, форма которой в первую очередь зависит от конструктивных параметров прикатывающего ролика, а также от нагрузки и месторасположения частиц почвы.
Основными параметрами прикатывающих катков, от которых будет зависеть качество выполнения операции, принято считать диаметр, ширину обода и форму его рабочей поверхности.
Исходя из своих исследований, Шевелев В. М. [19, с. 51] не рекомендует увеличивать диаметр прикатывающих каточков больше оптимального, поскольку это может привести к значительному смещению семян, что не позволит соблюсти агротехнические требования к прикатыванию. Но, с другой стороны, необоснованно малый диаметра катка будет приводить к противоположному эффекту, когда он вклинивается в верхний слой почвы, разрыхляет его и снижает плотность нижележащих слоев.
Исходя из вышеизложенного, при расчетах параметров прикатывающего ролика необходимо учитывать, что при своей работе он должен не только максимально качественно выполнять уплотнение центральной части гребня, но при этом не оказывать
значительного влияния на расположение семян относительно поверхности гребня.
Смятие прикатывающим роликом почвенного слоя зависит от соотношения результирующих сил, приложенных к оси ролика, физико-механических свойств почвенной среды, конструктивных параметров.
Разрушение почвенного слоя происходит при создании напряжений больших, чем напряжение временного сопротивления почвы [20, с. 75]:
°, =°0, (34)
где ор - напряжение, создаваемое прикатывающим роликом; оо - внутреннее напряжение почвенной среды.
Выполнение данного условия и тем самым недопущение образования почвенного «валика» впереди прикатывающего ролика с дальнейшим его выдавливанием зависит от конструкции ролика.
В ряде работ исследователи, изучавшие вопрос прикатывания почвы, для упрощения расчетов принимают образовывающийся наплыв почвы впереди катка в виде почвенного комка.
Таким образом, процесс уплотнения поверхности гребня роликом можно представить в виде защемления почвенного комка и вдавливание его на требуемую глубину.
В процессе прикатывания возникают силы воздействия катка на почву Бр и реакция почвы на действие катка Яп (рис. 5). Эти силы разлагаются на нормальные и касательные составляющие. Нормальным условием работы катка будет, когда суммарные значения сил трения касательных составляющих будут больше выталкивающих сил, в этом случае каток перекатывается, подминая под себя требуемый объем почвы. В противоположном случае каток сгребает слой почвы, выталкивая его вперед и образуя почвенный валик.
Рис. 5. Схема к определению параметров прикатывающего ролика Fig. 5. Scheme to determine the parameters of the rolling roller
S
0.5L.H
0.5L.H
R
Условие защемления определим из уравнения проекций сил на оси координат (каток движется без буксования и проскальзывания):
ЕР = ^ Бтвр соБв-^ = 0, (35)
ЕР = кпу -• Бшв-р, • соБв = 0. (36) Исходя из того, что
Р* = -И1, (37)
^ = \ -^2 , (38) уравнения примут вид
ЕР = Ррн ¿тврц соБв-^ц = 0, (39)
ЕРу = Лпу -Р.Ц^пв-^ • соБв = 0, (40) из уравнения (40) выразим реакцию почвы R и
пу
подставим полученное выражение в уравнение (39)
ЕР = Р Бтв-р ц соБв-щцр Бтв-ц2р cosв = 0 , (41) преобразовав данное уравнение, получим
tg9-"
(42)
1 '
исходя из полученной формулы можно вывести условие защемление почвенного комка
9 > arctg
+^2 1 -^2 Ц1 .
(43)
Для определения радиуса прикатывающего ролика рассмотрим рисунок 5, исходя из которого видно, что радиус Яр можно рассчитать через величину гипотенузы ОА прямоугольного треугольника ЛОАВ, вдоль которой действует нормальная сила
F
проходящая через центр почвенного комка и
полученный угол 8.
R - OA • cos 9-(R + r + AC)• cos 9, (44)
где АС - гипотенуза прямоугольного треугольника ACAD, м; r - радиус почвенного комка, м; h - высота смятия почвы прикатывающим роликом, м. Тогда
h + r
AC = ■
cos 9
(45)
подставив уравнение (45), (43) в (44) и преобразовав его, получим искомую зависимость
(
R
(
1 + cos
arctg
+^2
1 „
(46)
1 - cos
arctg
+^2
1
Таким образом, полученное выражение (46) отражает зависимость минимального радиуса прикатывающего ролика Я не только от размера
комков, расположенных на поверхности почвы и величины уплотняемого слоя, но также от физико-механических свойств почвы и материала, из которого изготовлен прикатывающий ролик.
Ширина прикатывающего ролика, в свою очередь, должна выбираться исходя из требуемых размеров гребня, т. е. должна быть равна ширине его верхнего основания.
Исходя из указанных выше условий, выбираем минимально необходимые размеры прикатывающего ролика, равные: радиус - 0, 15 м, ширина 0,10 м.
1.4. Определение плотности почвы в гребне после совместного воздействия сферических дисков и прикатывающего ролика профилеобразующего катка.
Плотность почвы в гребне определим из уравнения
Р
Pg K +1
(47)
где р^ - плотность твёрдой фракции почвы, кг/м3.
Кр - коэффициент пористости.
Коэффициент пористости определим по уравнению:
K -k -Р-1 • Ь-^Цг,
p 0 р N 9,8 '104
(48)
где к0 - коэффициент пористости почвы при нагрузке 9,8104 Па; N - коэффициент сжимаемости почвы; р1 - плотность почвы до прохода профиле-образующего катка, кг/м3; р2 - плотность почвы после воздействия сферических дисков профилеобра-зующего катка, кг/м3; Рг - давление, оказываемое со стороны прикатывающего ролика на почву, Па.
Величину прилагаемого давления вычислим по формуле
Pr -
+ (G+ Ppr )2
S„
(49)
где Р - сила сопротивления перекатыванию ролика по поверхности почвы, Н; О - Вес прикатывающего ролика, Н; Ррг - усилие пружины, затрачиваемое на вдавливание ролика в почву, Н; Sk - площадь контакта ролика с почвой, м2.
Силу сопротивления перекатыванию катка по поверхности почвы определим по формуле [21, с. 240]
P - 0,86з
(G + Ppr )
4 • q • b • Rp
(50)
где q - величина объемного смятия почвы, Н/м3; Ь -ширина прикатывающего ролика, м.
Площадь контакта катка с почвой найдем по формуле
Rp •b •
а80.
(51)
н
r
Однако влияние большого числа факторов и сложность процессов, протекающих при уплотнении почвы в связи с постоянно изменяющимися физико-механическими свойствами почвы, не позволяют в полной мере найти оптимальные геометрические параметры профилеобразующего катка, только с помощью теоретических зависимостей для полноценного изучения его работы необходимы экспериментальные исследования.
Заключение Экспериментальная проверка предлагаемого профилеобразующего катка в значительной степени подтверждает результаты теоретических исследований. Профилеобразующий каток обладает высокой эффективностью и работоспособностью. Оригинальная конструкция позволяет не только сформировать гребень почвы и уплотнить его, но и минимизировать влияние неоднородности почвенной среды на данный процесс.
Внедрение предлагаемого технического решения может существенно повысить производительность труда, снизить себестоимость производимой продукции, а также повысить ее качество.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Загинайлов А. В. Совершенствование технологии возделывания кукурузы в условиях Центрального района нечерноземной зоны России : автореф. дис. ... канд с.-х. наук: 06.01.01. М., 2011. 20 с.
2. Загинайлов А. В., Шевченко В. А. Рост, развитие и продуктивность кукурузы при различных технологиях возделывания в нечерноземной зоне // Плодородие. 2011 № 2, С. 14-16.
3. Галиакберов A. Г. Возделывание кукурузы на гребнях // Кукуруза и сорго. 2006. № 5. С. 17-18.
4. Гребневая технология и комплекс машин для возделывания кукурузы на силос в нечерноземной зоне РСФСР. М. : ВИМ, 1990. 28 с.
5. Шаронов И. А. Разработка катка-гребнеобразователя с обоснованием его оптимальных параметров. Дис. ... канд. технических наук. Уфа, Башкирский государственный аграрный университет, 2011. 235 с.
6. Зыкин Е. С. Способ посева пропашных культур с разработкой катка-гребнеобразователя. Дис. ... канд. техн. наук. Пенза, 2007. 181 с.
7. Лисунов Е. А., Молодченков Д. А. Пат. 172 060 Российская Федерация, МПК A01B 29/04 (2006.01). Профилеобразующий каток; заявитель и патентообладатель Молодченков Дмитрий Александрович. № 2016134164; заявл. 19.08.16 ; опубл. 28.06.17, Бюл. № 19. 8 с.
8. Черемисинов А. Ю., Черемисинов А. А., Плотников С. А. Уплотнение орошаемых почв от воздействия сельскохозяйственных машин // Лесотехнический Журнал. 2013. № 4 (12). С. 156-160.
9. Молодченков Д. А. Перспективное направление совершенствования посевных агрегатов // Таврический научный обозреватель. 2016. № 1-1 (6). С. 152-155.
10. Соловых А. А., Сударенков Г. В. Влияние мезоформ рельефа на агрофизические свойства почвы чернозема обыкновенного в условиях Оренбургского предуралья // Russian Journal of Agricultural and SocioEconomic Sciences. 2012. Т. 1. № 1. С. 7-11.
11. Синеоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М., Машиностроение, 1977. 328 с.
12. Кленин Н. И., Сакун В. А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М. : Колос, 1980. 671 с.
13. Сохт К. А., Трубилин Е. И., Коновалов В. И. Дисковые бороны и лущильники. Проектирование технологических параметров : учеб. пособие. Краснодар : КубГАУ, 2014. 164 с.
14. Синеоков Г. Н. Дисковые рабочие органы почвообрабатывающих машин: (теория и расчёт): науч. изд. М. : Машгиз, 1949. 86 с.
Преобразуя выражение (47) с учетом полученных зависимостей (48), (49), (50) и (51), получим
_Л£_
Pgr =
1 Pi 1 ,
k0 - —----ln
0 P2 N
9,8■iO4 ■*■ R ■ b■в
(52)
Посредством использования уравнения . можно получить значение плотности почвы сформированного гребня почвы с учетом конструктивно-технологических параметров профилеобразующего катка.
Обсуждение
Как видно из проведенного анализа геометрических параметров профилеобразующего катка, в большей степени на плотность почвы в гребне оказывают такие составляющие, как: диаметр сферических дисков, радиус кривизны сферической поверхности, угол их установки к направлению движения, глубина погружения их в почву, а также диаметр и расположение прикатывающего ролика.
15. Цапенко Ю. Я. Исследование процесса прикатывания почвы катками сеялок. Дисс. ... канд. техн. наук. Зерноград, 1967. 175 с.
16. Акулов В. М. Исследование технологического процесса прикатывания почвы каточками сеялки-культиватора. Дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 1973. 174 с.
17. Справочник по элементарной математике, механике и физике. М. : АКАЛИС, 1995. 215 с.
18. Abdullah Ali Al-Ghazal. An investigation into the mechanics of agricultural discs. 1989. P. 319.
19. Шевелев В. М. Исследование процесса прикатывания почвы при посеве сельскохозяйственных культур. Дисс. канд. техн. наук. Киев, 1968. 178 с.
20. Кленин Н. И., Сакун В. А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М. : Колос, 1994. 751 с.
Дата поступления статьи в редакцию 14.11.2017, принята к публикации 19.12.2017.
Информация об авторах: Молодченков Дмитрий Александрович, аспирант
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино,
ул. Октябрьская, 22а
E-mail: [email protected]
Spin-код: 8316-6842
Лисунов Евгений Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Технический сервис» Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: [email protected] Spin-код: 1948-8977
Заявленный вклад авторов: Молодченков Дмитрий Александрович: сбор и обработка материалов, подготовка текста статьи. Лисунов Евгений Алексеевич: научное руководство, критический анализ и доработка текста.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Zaginajlov A. V. Sovershenstvovanie tekhnologii vozdelyvaniya kukuruzy v usloviyah Central'nogo rajona Nechernozemnoj zony Rossii [mprovement of technology of cultivation of corn in the conditions of the Central district of the Nonchernozem zone of Russia. Ph. D. (Agriculture) Thesis], 06.01.01, Moscow, 2011, 20 p.
2. Zaginajlov A. V., Shevchenko V. A. Rost, razvitie i produktivnost' kukuruzy pri razlichnyh tekhnologiyah vozdelyvaniya v nechernozemnoj zone [Growth, development and productivity of corn at various technologies of cultivation in a nonchernozem zone], Plodorodie [Fertility], 2011, No. 2, pp. 14-16.
3. Galiakberov A. G. Vozdelyvanie kukuruzy na grebnyah [Cultivation of corn on crests], Kukuruza i sorgo [Corn and sorghum], 2006, No 5, pp. 17-18.
4. Grebnevaya tekhnologiya i kompleks mashin dlya vozdelyvaniya kukuruzy na silos v nechernozemnoj zone RSFSR [Comb technology and a complex of agricultural machines for maize cultivation for silage in the nonchernozem zone of the RSFSR], Moscow, VIM, 1990, 28 p.
5. Sharonov I. A. Razrabotka katka-grebneobrazovatelya s obosnovaniem ego optimal'nyh parametrov [Development of a skating rink-grebneobrazovatelya with justification of his optimum parameters. Ph. D. (Ingeneering) Diss.], Ufa, Bashkirskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet, 2011, 235p.
6. Zykin E. S. Sposob poseva propashnyh kul'tur s razrabotkoj katka-grebneobrazovatelya [Way of crops the propashnykh of cultures with elaboration of a skating rink-grebneobrazovatelya. Ph. D. (Ingeneering) Diss.], Penza, 2007,181 p.
7. Lisunov E. A., Molodchenkov D. A., Profileobrazuyushchij katok [Profilebase skating rink]. Patent RF, No. 172 060, 2017. 8 p.
8. Cheremisinov A. Yu., Cheremisinov A. A., Plotnikov S. A. Uplotnenie oroshaemyh pochv ot vozdejstviya sel'skohozyajstvennyh mashin [Compaction of irrigated soils from the impact of agricultural vehicles], Lesotekhni-cheskij Zhurnal [Forestry engineering journal], 2013, No. 4 (12), pp. 156-160.
BecmHUK НГHЭH. 2018. № 1 (80)
9. Molodchenkov D. A. Perspektivnoe napravlenie sovershenstvovaniya posevnyh agregatov [Perspective direction of improvement of sowing cars], Tavricheskij nauchnyj obozrevatel' [Taurian scientific Explorer], 2016. No. 1-1 (6), pp. 152-155.
10. Solovyh A. A., Sudarenkov G. V. Vliyanie mezoform rel'efa na agrofizicheskie svojstva pochvy chernoze-ma obyknovennogo v usloviyah Orenburgskogo predural'ya [Influence of mesoforms of a relief on agrophysical properties of the soil of the chernozem ordinary in the conditions of the Orenburg Cis-Urals], Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences, 2012, Vol. 1, No. 1, pp. 7-11.
11. Sineokov G. N., Panov I. M. Teoriya i raschet pochvoobrabatyvayushchih mashin [Theory and calculation of tillage machines], Moscow, Mashinostroenie, 1977, 328 p.
12. Klenin N. I., Sakun V. A. Sel'skohozyajstvennye i meliorativnye mashiny [Farm and meliorative vehicles], Moscow, Kolos, 1980, 671 p.
13. Soht K. A., Trubilin E. I., Konovalov V. I. Diskovye borony i lushchil'niki. Proektirovanie tekhnologi-cheskih parametrov: ucheb. posobie [Disc harrows and Cultivators. Design of process parameters], Krasnodar: KubGAU, 2014, 164 p.
14. Sineokov G. N., Diskovye rabochie organy pochvoobrabatyvayushchih mashin: (teoriya i raschyot): nauch. izd. [Disk working bodies of tillage machines: (theory and calculation)], Moscow, Mashgiz, 1949, 86 p.
15. Capenko Yu. Ya. Issledovanie processa prikatyvaniya pochvy katkami seyalok [Research of process of a prikatyvaniye of the soil skating rinks of seeders. Ph. D. (Ingeneering) Diss.], Zernograd, 1967, 175 p.
16. Akulov V. M. Issledovanie tekhnologicheskogo processa prikatyvaniya pochvy natochkami seyalki-kul'tivatora [Investigation of the technological process of compacting the soil with a roller of a seeder-cultivator. Ph. D. (Ingeneering) Diss.], Chelyabinsk, 1973, 174 p.
17. Spravochnik po ehlementarnoj matematike, mekhanike i fizike (Reference book on elementary mathematics, mechanics and physics), Moscow, AKALIS, 1995, 215 p.
18. Abdullah Ali Al-Ghazal, An investigation into the mechanics of agricultural discs, 1989, 319 p.
19. Shevelev V. M. Issledovanie processa prikatyvaniya pochvy pri poseve sel'skohozyajstvennyh kul'tur [Research of process of a prikatyvaniye of the soil at sowing of agricultural crops. Ph. D. (Ingeneering) Diss.], Kiev, 1968, 178 p.
20. Klenin N. I., Sakun V. A. Sel'skohozyajstvennye i meliorativnye mashiny [Farm and meliorative vehicles], Moscow: Kolos, 1994. 751 p.
Submitted 14.11.2017; revised 19.12.2017.
About the authors: Dmitrij A. Molodchenkov, postgraduate student
Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya Street, 22a
E-mail: [email protected]
Spin-code: 8316-6842
Eugenii A. Lisunov, the doctor of technical sciences, the professor of the chair «Technical services» Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Street, 22a E-mail: [email protected] Spin-code: 1948-8977
Contribution of the authors: Dmitrij A. Molodchenkov: collection and processing of materials, writing of the draft. Eugenii A. Lisunov: research supervision, critical analyzing and editing the text.
All authors have read and approved the final manuscript.
