Моделирование процесса обработки почвы методом концентрации напряжений в обрабатываемом пласте
Автор: Джабборов Н.И., Добринов А.В., Савельев А.П.
Журнал: Инженерные технологии и системы @vestnik-mrsu
Рубрика: Агроинженерия
Статья в выпуске: 2, 2023 года.
Бесплатный доступ
Введение. Обработка почвы - важнейшее звено в технологии возделывания сельскохозяйственных культур. В настоящее время на обработку почвы в среднем приходится 35-40 % энергетических затрат всего объема полевых работ и до 20 % энергии, потребляемой в сельском хозяйстве. Обработка почвы позволяет регулировать водно-воздушный режим, интенсивность биологических процессов и поддержать необходимое фитосанитарное состояние почвы и посевов. Энергоемкость и качество обработки почвы зависят от степени совершенства технических средств. Математическое моделирование процесса обработки почвы различными почвообрабатывающими рабочими органами является актуальной задачей, поскольку позволяет разработать более совершенные энергоэффективные технические средства. Цель статьи. Представить результаты исследования по разработке математических моделей для определения и анализа показателей процесса обработки почвы рабочим органом скобообразной формы. Материалы и методы. В процессе теоретических исследований скобообразного почвообрабатывающего рабочего органа для сплошной поверхностной обработки почвы использовались методы анализа, обобщения и систематизации, теоретической механики, математической статистики и моделирования, теории вероятности, методы дифференциального исчисления, теория взаимодействия рабочих органов с почвой и их движения по поверхности поля. Результаты исследования. Получены аналитические модели для определения создаваемого давления, тягового сопротивления, суммарной силы сжатия почвенного пласта, времени его движения через рабочий орган, требуемой мощности и количества энергии, затрачиваемых на сжатие и крошение почвенного пласта в зависимости от скорости перемещения предложенного скобообразного рабочего органа. Приведены графические зависимости исследованных параметров скобообразного почвообрабатывающего рабочего органа и установлены закономерности их изменения. Обсуждение и заключение. Предложенные математические модели и выявленные закономерности изменения параметров процесса обработки почвы рабочим органом замкнутого контура позволят разработать новые эффективные рабочие органы, рассчитать их конструктивно-технологические параметры.
Обработка почвы, скобообразный рабочий орган, моделирование, тяговое сопротивление, концентрация напряжений, мощность, давление, сила сжатия почвенного пласта
Короткий адрес: https://sciup.org/147241493
IDR: 147241493 | DOI: 10.15507/2658-4123.033.202302.175-191
Текст научной статьи Моделирование процесса обработки почвы методом концентрации напряжений в обрабатываемом пласте
В последнее время в сельскохозяйственном производстве резко возрос интерес к поиску и разработке новых методов и способов, обеспечивающих снижение энергоемкости и повышение качества технологических процессов обработки почвы.
На агротехнические показатели и тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин значительное влияние оказывают физико-механические свойства почвы (удельное сопротивление, влажность и твердость почвы, коэффициент трения почвы о сталь, абразивные свойства почвы), изменяющиеся в зависимости от погодных условий, севооборота культур, внесения в почву минеральных и органических удобрений и т. д. Эти вопросы достаточно широко изучены в работах многих авторов1.
Значительное количество результатов теоретических и экспериментальных исследований ученых посвящено раскрытию новых закономерностей процессов обработки почвы различными рабочими органами и машинами [1 ‒ 4]. При внедрении почвообрабатывающей техники в производство разрабатываются методы оценки эффективности функционирования в различных зонах с учетом ее работоспособности и надежности в процессе эксплуатации [5 ‒ 7].
При этом обоснование конструктивных параметров новых способов обработки почвы и типов рабочих органов, принципиально отличающихся от традиционных приемов, применяемых на практике, невозможно без раскрытия теоретических основ их взаимодействия с почвой с учетом ее изменяющихся свойств. Для этого необходима разработка модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, обеспечивающая возможность определения и анализа агротехнических и энергетических показателей процесса обработки почвы и обоснования их конструктивно-технологических параметров.
Так, на основе применения теории деформации грунтов обрабатываемого материала авторами статьи был разработан оригинальный рабочий орган скобообразной формы, создающий во время движения сжатие внутренних капилляров почвенного пласта. При выходе из конусообразной скобы вследствие отсутствия сжимающей силы пласт почвы под действием давления сжатых внутрипочвенных газов разрушается (крошится), образуя при этом мелкокомковатую структуру [8].
В связи с этим физико-математическое моделирование предлагаемого способа обработки почвы с использованием скобообразного рабочего органа для создания и концентрации напряжения в обрабатываемом слое почвы составляет основу данного исследования.
Цель исследования – разработка математических моделей для определения и анализа показателей процесса обработки почвы рабочим органом скобообразной формы.
Обзор литературы
С целью достижения необходимых агротехнических и энергетических показателей работы для обеспечения конкурентоспособности создаваемой техники при теоретическом и практическом обосновании параметров новых рабочих органов и почвообрабатывающих машин исходят из ряда требований, главными из которых являются степень крошения почвы, тяговое сопротивление, устойчивость хода рабочих органов по глубине, выровненность поверхности поля.
При обосновании основных подходов к проектированию почвообрабатывающих машин и в процессе разработки модели взаимодействия рабочих органов с почвой экспериментально подтверждено, что крошение почвенного пласта на лемешно-отвальной поверхности происходит за счет возникновения сил взаимодействия между элементами пласта с разным шагом [9].
При обосновании конструктивных особенностей и исследовании работы нового чизельного комбинированного агрегата, совмещающего за один проход по полю три технологические операции (глубокое рыхление, крошение верхнего слоя почвы и внесение удобрений), установлено, что рациональная конструкция рабочих органов и их комбинация позволяет снизить энергоемкость технологического процесса. Так, Г. Г. Масловым получена аналитическая зависимость для определения потребной мощности двигателя почвообрабатывающего агрегата [10].
Для обеспечения качественной обработки, снижения тягового сопротивления на дисковых рабочих органах с вогнутой стороны выполнены прорези, с выступающими в направлении его вращения зубьями, которые также имеют вид непрерывной волнистой линии. Установлена форма вырезов между зубьями и число зубьев, обеспечивающих полное схождение с рабочего органа почвы, растительных остатков и исключающих забивание вырезов [11].
С целью улучшения качества крошения почвы разработаны рабочие органы 178
Том 33, № 2. 2023
с переменным углом резания. Выявлено, что лезвие с переменным углом резания увеличивает давление на почвенный пласт по сравнению с лезвием, имеющим постоянный угол резания. Подтверждено, что рабочие органы с переменным углом резания на 20 ‒ 50 % лучше крошат обрабатываемый пласт, чем типовые [12].
И. М. Бартенев изучил вопросы ударного разрушения и активный оборот почвенного пласта при вспашке новым комбинированным рабочим органом, использование которого на плугах исключает необходимость в дополнительной обработке почвы, связанной с дроблением почвенных глыб и выравниванием поверхности пашни [13].
Также рассмотрен процесс крошения почвенного пласта под воздействием овалообразного рабочего органа. При этом разделению материала под воздействием лезвия предшествует процесс предварительного его сжатия до возникновения на его кромке разрушающего контактного напряжения. Пласт почвы при проходе через рабочий орган подвергается упруго-пластической деформации. В результате теоретических и практических исследований обоснованы конструктивно-технологические параметры рабочего органа [14].
На основе использования принципов бионики и упрочняющих технологий обоснованы конструктивно-технологические параметры ножа почвенной фрезы для крошения, рыхления, перемешивания, частичного оборачивания почвенного пласта, разрезания растительных и пожнивных остатков, уничтожения сорняков, при этом обеспечивается продолжительная сохранность геометрических параметров [15].
Для ротационных орудий с эллипсовидными дисками обоснованы рациональные значения технологических параметров ротационного орудия с эллипсовидными дисками. Установлено, что в пределах рабочих скоростей почвообрабатывающий агрегат с эллипсовидными дисками обеспечивает выполнение агротехнических требований к поверхностной обработке почвы [16].
Экспериментальными исследованиями доказана эффективность расположения на стойке комбинированного рабочего органа двух элементов для глубокой и мелкой обработки почвы на одной стойке для послойной безотвальной обработки почвы в виде долота для глубокого рыхления и криволинейного рыхлителя для мелкой обработки почвы. Такое решение обеспечивает заданное качество крошения пласта [17].
Разработанный комбинированный рабочий орган для обработки междурядий посевов пропашных культур состоит из двух элементов: двухъярусного катка и Т-образной лапы. Их работа обеспечивает одновременные разнонаправленные действия на пласт почвы. При этом Т-образная лапа с углом крошения 12° оказывает на почву фронтальное воздействие. Экспериментально установлено, что применение такого рабочего органа снижает площадь испарения на 15 ‒ 20 %, создает мульчирующий слой [18].
По результатам проведенных экспериментов для определения показателей крошения и рыхления суглинистой почвы были выявлены зависимости между коэффициентом крошения и удельной потенциальной энергией, накопленной суглинистой почвой. Доказано, что для суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, крошение начинается при удельной потенциальной энергии 7 622 Па [19].
Исследованиями по определению прочностных характеристик почв ненарушенного строения, значения пределов прочности дерново-подзолистой почвы на сжатие и растяжение в зависимости от абсолютной влажности и количества растительных остатков, определено, что наибольшим сопротивлением к сжатию по всем категориям сельскохозяйственных угодий характеризовались почвы супесчаного гранулометрического состава [20]. На основе метода проектирования рабочих органов для рыхления почвы с использованием деформации растяжения доказано, что сухие почвы обладают высокой прочностью при сжатии [21].
По результатам исследований влияния значений абсолютной влажности суглинистой почвы на модуль упругости первого рода получены пределы прочности почвы на растяжение и сжатие, коэффициент рыхления и другие характеристики почв2.
Наиболее эффективным способом ударного разрушения почвенных глыб и в целом почвенного пласта является свободный удар – удар на лету по глыбам и пласту, оторванными от массива почвы, поднятыми над дном борозды и находящимися в воздухе, вращающимся ударником. Эффективность способа обоснована в процессе основной обработки почвы в зоне недостаточного и неустойчивого увлажнения с целью получения высокой степени крошения, снижения энергоемкости обработки [22].
Динамический удар и вибрация почвообрабатывающего разработанного рабочего органа с энергонакопительнопередающим устройством оказывают значительное влияние на почвенный слой в виде дополнительной степени рыхления, а накопленная энергия удара обеспечивает снижение тягового сопротивления рабочего органа [23; 24].
Для оценки эффективности и выбора наиболее энергоэффективных почвообрабатывающих рабочих органов используют следующую систему критериев: удельное тяговое сопротивление активной фронтальной площади, коэффициент террадинамического сопротивления, основные показатели качества обработки почвы [25].
Материалы и методы
Объектом исследований являлся скобообразный почвообрабатывающий рабочий орган (рис. 1) для сплошной поверхностной обработки различных типов почв на глубину до 20 см.

Р и с. 1. Общий вид скобообразного рабочего органа: 1 – наральник; 2 – скоба; 3 – стойка крепления скобы; 4 – предохранитель
F i g. 1. General view of the bracket-shaped working body: 1 – loosening paw; 2 – bracket;
-
3 – stand; 4 – safety mechanism
Рабочий орган состоит из скобы 2 , боковая поверхность которой выполнена в виде половины усеченного конуса, центры его нижнего и верхнего оснований смещены друг относительно друга. В верхней части скоба 2 крепится к поперечной балке стойки 3 . В нижней точке вогнутой боковой поверхности скобы 2 жестко крепится рыхлительная лапа 1 . Рабочий орган крепится к раме посредством автоматического предохранителя 2 .
В процессе движения пласт почвы, подрезанный передней рабочей кромкой скобы 2 и рыхлительной лапой 1 рабочего органа приподнимается и передвигается вдоль ее конусообразной части. Во время движения он подвергается сжатию благодаря смещенному центру основания задней конусной части относительно передней рабочей части скобы 2. При выходе пласта из скобы из-за отсутствия сжимающей силы почва под действием давления сжатия начинает разрушаться или рассыпаться, т. е. происходит ее крошение.
В процессе исследования применяли методы анализа, обобщения и систематизации, теоретической механики, математической статистики и моделирования, теории вероятности, дифференциального исчисления, теорию взаимодействия рабочих органов с почвой и их движения по поверхности поля.
Результаты исследований
Анализ исследований показал, что применяемые в настоящее время почвообрабатывающие рабочие органы разрушают связи между отдельными структурными агрегатами почвы посредством упруго-пластической деформации. Почва деформируется вследствие резания, сжатия, сдвига, растягивания и кручения. Сопротивление почвы и ее рыхление при деформации сжатия практически не исследовано, при этом между удельным сопротивлением почвы и ее твердостью, пластичностью, упругостью, вязкостью и хрупкостью существует сильная корреляционная связь3 [26].
В процессе работы почвообрабатывающего рабочего органа для поверхностной обработки почвы и уничтожения сорных растений происходит концентрация напряжений почвенного пласта в зоне его контакта с внутренней боковой поверхностью скобы 2 и ее вертикальной частью (рис. 1). При этом с увеличением скорости движения интенсивность деформации почвы в обрабатываемом пласте повышается.
Математическая модель для определения силы R, сжимающей почвенный пласт в зависимости от рабочей скорости перемещения скобообразного рабочего органа и силы сопротивления почвы деформации Р, может быть описана следующим выражением [14]:
r = 2m
C 1
8 A 2 l d cos ^
V 2 + 4 Ald cos a + V pd p
2AV p P
. V2 + 4Aldcosa - VD 2m pp где m ‒ масса почвенного пласта, кг; ld ‒ ширина зоны деформации почвенного пласта, мм; β ‒ угол между боковыми поверхностями вертикальной части скобы, град.; Vp ‒ скорость перемещения рабочего органа, м/с; α ‒ угол крошения рабочего органа, град.; P ‒ сила сопротивления почвы деформации, кН; A = bk(h 1 + εb1 ‒ εbk) ‒ коэффициент; bk ‒ ширина проема при выходе пласта из вертикальной части скобы рабочего органа, мм; h1 ‒ толщина слоя почвы, поступающего в рабочий орган, мм; b1 ‒ ширина пласта поступающего в рабочий орган, мм; ε ‒ коэффициент вертикального расширения, зависящий от типа почвы; C = sin^—fcos^ - коэффициент;
-
1 cos ^ + f sin ^
f ‒ коэффициент трения почвы по стали.
Из формулы (1) следует, что на рыхление почвы методом повышения интенсивности ее деформации и концентрации напряжения влияют следующие показатели: твердость и плотность почвы, площадь фронтальной проекции рабочего органа, углы резания и крошения почвы, скорость перемещения рабочего органа, траектория движения почвы, динамическое давление, глубина обработки почвы.
Напряжение в почвенном пласте при действии группы сил по профилю скобы рабочего органа можно представить как сумму напряжений от действия отдельных сил, если их рассматривать как дискретные величины (рис. 2).

Р и с. 2. Схема возникающих сил напряжения почвенного пласта при движении скобы почвообрабатывающего рабочего органа
F i g. 2. Scheme of the soil layer stress from the moving of the bracket-shaped soil tillage working body
В этом случае суммарная сила напряжения в почвенном пласте может быть определена из выражения:
-
a , = ( R i ■ / 1 + R 2 - ft +^ + R n ■ ,f n ) =
n
= 72 Z Ri' f. , l i = 1
где f = у - коэффициент; p - расстояние от точки приложения i – той силы до центра концентрации напряжений, м; l – глубина формирования сил напряжений в почвенном пласте, м.
Скобообразный почвообрабатывающий рабочий орган, в отличие от типовых рабочих органов, которые разрушают связи между отдельными структурными агрегатами почвы, позволяет разрыхлить и раскрошить почву сжатием при условии нарастания интенсивности ее деформации, создавая концентрацию напряжений.
В этой связи суммарная сила сжатия пласта почвы зависит от ширины ld зоны деформации почвенного пласта, твердости почвы, скорости перемещения, площади фронтальной проекции и обтекаемости рабочего органа.
В общем случае суммарная сила сжатия почвенного пласта рабочим органом может быть представлена следующей зависимостью:
F t = f ( T , V w , F ) , (3)
где Т – твердость почвенного пласта, кг/см2; Vp – скорость перемещения рабочего органа, м/c; F – площадь фронтальной проекции рабочего органа, см2.
Площадь фронтальной проекции F рабочего органа зависит от ширины ld зоны деформации почвенного пласта и глубины обработки почвы. Чем меньше глубина обработки hsm и ширина ld зоны деформации почвы, тем меньше значение F .
В формуле (3) при фиксированном значении глубины обработки значение F = const, а твердость Т почвенного пласта и скорость Vp перемещения рабочего органа являются случайными величинами в вероятностно-статистическом смысле.
Вместе с тем при функционировании рабочего органа только скорость его перемещения Vp является управляемым параметром.
С учетом выражения (3) суммарная сила сжатия почвенного пласта скобообразным рабочим органом может быть рассчитана следующей зависимостью:
F = 0,5 C p K d TV W F , (4)
где Cp = 9,81 ‒ поправочный коэффициент [25]; Kd ‒ коэффициент терради-намического сопротивления рабочего органа, учитывающий обтекаемость
Том 33, № 2. 2023
рабочих органов и зависящий от формы поверхности рабочего органа и твердости почвы.
В формуле (4) произведение Т Vp 2 представляет скорость напора Pd (или динамическое давление) на почвообрабатывающий рабочий орган. Обозначая Pd = 0, 5 TVp 2 и подставив в выражение (3) примет вид:
F = 0,5C p K d FP d . (5)
С учетом выражения (2) при фиксированных значениях твердости почвенного пласта Т и площади фронтальной проекции F рабочего органа суммарная сила сжатия почвенного пласта рабочим органом представляет собой произвольную дифференцируемую функцию F" = f ( P d ) .
Так как твердость почвы T и скорость V p перемещения рабочего органа являются непрерывными случайными величинами, то скорость напора Pd также имеет вероятностный характер.
Детерминированная функция Pd = = f ( Vp ) представляет собой кривую второго порядка типа (при x ≥ 0, рис. 3):
y = bx 2 , (6)
где b = T ‒ угловой коэффициент, равный значению твердости почвы на обрабатываемом агрофоне; x = Vp ‒ аргумент функции (6); Pd max ‒ максимальное значение скорости напора (или динамического давления (рис. 3), кг/см2; Vp max ‒ максимальное значение скорости перемещения рабочего органа (рис. 3), м/с.
С учетом выражений (4) и (6) математическое ожидание суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом можно определить с помощью соотношения:
to
M ( y ) = J / ( x ) ф ( x ) dx , (7)
-to

Р и с. 3. Схема к определению скорости напора Pd (динамического давления) на рабочий орган
F i g. 3. Scheme for determining the speed of pressure Pd on the working body
где ф (x ) = ( ст 2 22л ) 1 exp -
( x - m )2
,
. 2^2 .
f ( x ) = bV p - плотность распределения
вероятностей случайной величины x ; m , σx – соответственно математическое
ожидание и среднее квадратическое отклонение величины x .
С учетом выражений (6) и (7) получим:
to
M ( y )= J f (x ) ^( x ) dx =
-to
<Гг 2Лл
Vp
to
J( bVp)
- ( V p - V p )2/ ( 2 r V ) ep
dV p . (8)
—to
Решая интегральное выражение (8), окончательно получим формулу для определения математического ожидания (или среднего значения) суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом:
F /= 0,5C p KdFPd =
= 0,5 C p KdF [ bV p ( 1 + v V p ) ] , (9)
где F ‒ площадь фронтальной проекции Agricultural engineering
рабочего органа, см2; V p ‒ скорость пере-
°V мещения рабочего органа, м/с; vv = ^— p Vp коэффициент вариации скорости перемещения рабочего органа; oV - среднее квадратическое отклонениеp скорости перемещения рабочего органа, м/с; Vp – среднее значение скорости перемещения рабочего органа, м/с.
На основании проведения теоретических расчетов были получены зависимости скорости напора, тягового сопротивления и суммарной силы сжатия почвенного пласта от скорости перемещения рабочего органа.
На рисунке 4 представлены графические зависимости тягового сопротивления Ra рабочего органа и скорости напора Pd на рабочий орган от скорости его перемещения.
Анализ полученных результатов исследований показывал, что с повышением скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с скорость напора Pd на рабочий орган увеличивается с 247 до 276 кг/см2, при этом тяговое сопротивление рабочего органа Ra возрастает от 2,47 до 2,7 кН.

Р и с. 4. Зависимости тягового сопротивления Ra (кривая 1)
и скорости напора Pd (кривая 2) от скорости Vp перемещения рабочего органа (агрофон – вспаханное поле после зерновых, глу p бина обработки почвы h = 20 см)
F i g. 4. Dependencies of the traction resistance Ra (curve 1)
and the pressure velocity Pd (curve 2) on the working body on the speed of its movement (agrobackground – a plowed field after harvesting grains, tillage depth h = 20 cm)
Согласно полученным данным были выявлены закономерности изменения динамического давления Pd и тягового сопротивления Ra рабочего органа от скорости его перемещения, которые описываются следующими моделями:
P d = 0,094944V p + 0,006747 V p - 0,01853, (10) R„ = 4,20750 K 2 - 36,24550 7 + 324,67360. (11) ap p
С использованием формулы (9) была установлена суммарная сила сжатия почвенного пласта рабочим органом при различных скоростях его перемещения и средней глубине обработки почвы 20 см.
На рисунке 5 показана зависимость суммарной силы сжатия Ft почвенного пласта рабочим органом от его скорости перемещения.
Полученные данные позволили установить закономерность изменения суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом при скорости его перемещения Vp от 1,28 до 1,93 м/с, которая описывается следующей зависимостью:
F = 34,99390V 2 -
- 277,69185 V p + 2980,36561. (12)
С повышением скоростного режима работы рабочего органа наблюдается увеличение суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом от 2,44 до 2,74 кН.
Установлена разная динамика изменения тягового сопротивления Ra рабочего органа, динамического давления Pd и суммарной силы Ft сжатия почвенного пласта рабочим органом при повышении скорости V p его перемещения. Так, при увеличении скорости от 1,28 до 1,93 м/с суммарная сила Ft сжатия почвенного пласта рабочим органом возрастает на 11 ‒ 12 %, а скорость напора Pd повышается на 127,3 %.
Сила сжатия почвенного пласта рабочим органом значительно зависит от твердости почвы, площади фронтальной проекции рабочего органа и его обтекаемости, скорости его перемещения и динамического давления на него.

Р и с. 5. Зависимость среднего значения суммарной силы сжатия почвенного пласта Ft Σ рабочим органом от скорости его перемещения (агрофон – вспаханное поле после зерновых, глубина обработки почвы h = 20 см)
F i g. 5. Dependence of the average value of the total force of compression of the soil layer Ft Σ by the working body on its speed of movement (agrobackground – a plowed field after harvesting grains, the depth of tillage h = 20 сm)
Время прохождения почвенного пласта через скобу рабочего органа можно определить из формулы:
tsl = bsl, (13) Vp где bsl ‒ ширина зоны деформации почвенного пласта (равна ширине скобы рабочего органа), м; Vp ‒ скорость перемещения рабочего органа, м/с.
В пределах изменения скорости перемещения предлагаемого рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с, время прохождения почвенного пласта варьирует в пределах tsl = 0,0414 - 0,0625 с.
Потребная мощность на сжатие почвенного пласта рабочим органом определяется из выражения:
N = 10 ^3 Ft£ b ^-, (14) t sl
£ где Ft ‒ суммарная сила сжатия почвенного пласта скобой рабочего органа, Н.
На рисунке 6 представлена зависимость потребной мощности Np на сжатие почвенного пласта рабочим органом от скорости его перемещения.
Agricultural engineering
При повышении скорости Vp перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с мощность затрачиваемая на сжатие почвенного пласта увеличивается от 3,12 до 5,3 кВт.
Выявлена закономерность изменения потребной мощности Np на сжатие почвенного пласта рабочим органом от скорости его перемещения, которая описывается зависимостью:
N p = 1,22360V p - 0,57393 V p + 1,84987. (15)
Зависимость справедлива в диапазоне изменения скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с при глубине обработки почвы 20 см.
Энергия Jp , необходимая для сжатия почвенного пласта рабочим органом, определяется из формулы:
J = 10 - 3 F£ V^^ . (16) tsl
На рисунке 7 представлена зависимость изменения энергии от скорости перемещения рабочего орган при сжатии почвенного пласта.

Р и с. 6. Зависимость потребной мощности Np на сжатие почвенного пласта рабочим органом от скорости его перемещения
F i g. 6. Dependence of the required power Np spent on the compression of the soil layer by the working body on the speed of its movement

Р и с. 7. Зависимость изменения энергии Jp от скорости перемещения рабочего органа при сжатии почвенного пласта
F i g. 7. Dependence of the amount of energy Jp , spent on the compression of the soil layer by the working body on the speed of its movement
В интервале изменения скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с количество энергии Jp , затрачиваемое на сжатие почвенного пласта рабочим органом, увеличивается от 0,150·10 ‒ 4 до 0,169·10 ‒ 4 МДж.
На основании выявленной зависимости получено математическое выражение изменения количества энергии от скорости перемещения рабочего органа при сжатии почвенного пласта:
J p = (0,024887 V p 2 -
-
- 0,05066 V p + 0,17407) - 10 - 4. (17)
Зависимость справедлива в диапазоне изменения скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с при глубине обработки почвы 20 см.
Анализ представленных математических моделей и выявленных закономерностей разработанного скобообразного рабочего органа позволяет заключить, что обработка почвы становится эффективной при концентрации напряжений в обрабатываемом пласте с рабочими органами замкнутого контура с определенными конструктивными параметрами.
Обсуждение и заключение
Разработанные математические модели расширяют теоретические и практические знания о процессах обработки почвы методом концентрации напряжений в обрабатываемом пласте.
Предложенные модели позволяют определить напряжение в почвенном пласте от действия группы сил в профиле скобы рабочего органа, среднее значение суммарной силы сжатия почвенного пласта, время прохождения почвенного пласта через рабочий орган, потребную мощность сжатия почвенного пласта и количество энергии, затрачиваемой на сжатие почвенного пласта рабочим органом.
Установлены закономерности изменения динамического давления, тягового сопротивления, суммарной силы, потребной мощности и энергии сжатия почвенного пласта от скорости перемещения рабочего органа.
Описанные математические модели и выявленные закономерности изменения параметров процесса обработки почвы рабочим органом замкнутого контура в дальнейшем позволят разработать новые эффективные рабочие органы и оптимизировать конструктивно-технологические параметры и режимы их работы.
Об авторах:
Джабборов Нозим Исмоилович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиала Федерального научного
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
All authors have read and approved the final manuscript.
Список литературы Моделирование процесса обработки почвы методом концентрации напряжений в обрабатываемом пласте
- Принципы создания и испытания конкурентоспособной почвообрабатывающей техники / Н. К. Мазитов [и др.] // Технжа i технологи АПК. Киев. 2014. № 4 (55). С.14-19.
- Ветохин В. И. Модель крошения почвы под действием клина // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1994. № 10. С. 25-27. URL: https://www.elibrary.ru/contents.asp?id=34175833 (дата обращения: 29.12.2022).
- Ресурсосберегающая техника для возделывания зерновых культур / В. В. Бледных [и др.] // Техника в сельском хозяйстве. 2007. № 3. С. 19-22. EDN: IATTWV
- Валиев А. Р., Мухамадьяров Ф. Ф., Зиганшин Б. Г. Обоснование конструктивно-технологических параметров нового дискового культиватора // Российская сельскохозяйственная наука. 2017. № 1. С. 58-61. EDN: XTDNZB
- Мударисов С. Г. Моделирование процесса взаимодействия рабочих органов с почвой // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005. № 7. С. 27-30. EDN: ROJUVN
- Рахимов З. С., Рахимов И. Р., Файрушин, Д. З. Универсальные орудия для безотвальной обработки почвы // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. № 5. С. 10-11. EDN: UUHCHX
- Итоги многолетних сравнительных испытаний и внедрения новой техники для обработки почвы и посева / Н. К. Мазитов [и др.] // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30, № 8. С. 91-93. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/itogi-mnogoletnih-sravnitelnyh-ispytaniy-i-vnedreniya-novoy-tehniki-dlya-obrabotki-pochvy-i-poseva/viewer (дата обращения: 30.12.2022).
- Рабочий орган для рыхления почвы : патент 2453087 Российская Федерация / Джаббо-ров Н. И., Добринов А. В. [и др.]. № 2010 128 168; заявл. 07.07.2010; опубл. 20.06.2012. 6 с.
- Бледных В. В., Свечников П. Г. Крошение почвы корпусом отвального плуга // Вестник Челябинской государственной агроинженерной академии. 2013. Т. 65. С. 68-73. EDN: RSCPQV
- Маслов Г. Г. Конструктивные особенности нового чизельного комбинированного агрегата и расчет потребной мощности двигателя на его работу // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 109. С. 195-207. URL: https:// cyberleninka.ru/article/n/konstruktivnye-osobennosti-novogo-chizelnogo-kombinirovannogo-agregata-i-raschet-potrebnoy-moschnosti-dvigatelya-na-ego-rabotu/viewer (дата обращения: 30.12.2022).
- Шовкопляс А. В. Теоретическое обоснование формы рабочего органа // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4 (14). С. 90-96. EDN: VJKDIN
- Бледных В. В., Свечников П. Г., Трояновская И. П. Расчетная схема технологического процесса крошения почвы почвообрабатывающими рабочими органами // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 3. С. 22-26. EDN: WYOOWX
- Бартенев И. М. Ударное разрушение и активный оборот почвенного пласта при вспашке // Лесотехнический журнал. 2013. № 1 (9). С. 98-110. URL: https://cyberleninka.ra/article/n/ udarnoe-razrashenie-i-aktivnyy-oborot-pochvennogo-plasta-pri-vspashke/viewer (дата обращения: 23.12.2022).
- Джабборов Н. И., Сафаров М., Миракилов Дж. Разработка овалообразного рабочего органа и его параметров для поверхностной обработки почвы // Доклады Таджикской академии сельскохозяйственных наук. 2011. № 1 (27). С. 48-52. EDN: RPCIQB
- Шовкопляс А. В. Обоснование конструктивно-технологических параметров энергоэффективного ножа почвенной фрезы // Научный вестник государственного образовательного учреждения Луганской Народной Республики «Луганский национальный аграрный университет». 2020. № 8-3. С. 22-26. EDN: NHWOLG
- Результаты полевых исследований почвообрабатывающего орудия с эллипсовидными дисками / Ф. Ф. Яруллин [и др.]// Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т. 14. № 2 (53). С. 123-127. https://doi.org/10.12737/article_5d3e17361cada0.88786874
- Разработка комбинированного рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы / И. В. Божко [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 8. С. 3-6. EDN: XSNUWN
- Санжаровская М. И. Что лучше раскрошит комок почвы // Инженерно-техническое обеспечение АПК. Реферативный журнал. 2009. № 1. С. 236. EDN: JXBSTJ
- Старовойтов С. И., Старовойтова Н. П., Чемисов Н. Н. О крошении суглинистой почвы // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. № 3. С. 30-34. EDN: SIWANX
- Алдошин Н. В., Васильев А. С., Голубев В. В. Исследование пределов прочности почвы на сжатие и растяжение // Агроинженерия. 2020. № 3 (97). С. 27-33. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2020-3-27-33
- Щиров В. Н., Пархоменко Г. Г. Проектирование рабочих органов для рыхления почвы с использованием деформации растяжения // Вестник АПК Ставрополья. 2016. № 3 (23). С. 57-62. EDN: XCCEZD
- Бартенев И. М. Выбор вида деформации и типа деформатора обработки сухих твердых почв // Лесотехнический журнал. 2018. № 3 (31). С. 162-170. https://doi.org/10.12737/ article_5b97a15e471834.37136442
- Dzhabborov N., Dobrinov A., Sergeev A. Vibration Parameters and Indicators of a Dynamic Tillage Tool // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 937 (2021) 032048, AFE 2021. https://doi. org/10.1088/1755-1315/937/3/032048
- Рабочий орган для рыхления почвы : патент 2755317 Российская Федерация / Джаббо-ров Н. И., Добринов А. В. [и др.]. № 2021106319; заявл. 11.03.2021 ; опубл. 15.09.2021. 7 с.
- Dzhabborov N. I., Dobrinov A. V., Sergeev A. V. The Basics for Choosing Energy-Efficient Working Tools of Tillage Machines // Nexo Revista Científica. 2022. Vol. 35, Núm. 02 P. 498-516. https://doi. org/10.5377/nexo.v35i02.14626
- Дьяков В. П. Зависимость сопротивления почвы от скорости сжатия // Техника в сельском хозяйстве. 2011. № 2. С. 9-11. EDN: WNRQBP