Оценка эффективности почвообрабатывающего комбинированного культиватора

В настоящее время при производстве сельскохозяйственной продукции на обработку почвы расходуется до 40 % энергии. Снижение расходов энергии возможно благодаря уменьшению количества обработок почвы и совершенствованию параметров рабочих органов. Однако при этом увеличиваются затраты на борьбу с сорной растительностью химическим способом. Упрощение конструкции рабочих 540

органов ведет к снижению тягового сопротивления агрегатов. Это влечет за собой ухудшение качества обработки почвы. С другой стороны, чтобы повысить качество обработки, необходимо дополнительно интенсифицировать воздействие на почву, что приведет к росту энергетических затрат [1–5].

При обработке почвы должны выполняться следующие условия: сохранение и улучшение физико-механических свойств почвы, уничтожение сорной растительности, создание наиболее благоприятной среды для размножения и жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, прорастания семян, развития растений [6–8].

В современном земледелии одним из направлений снижения тягового сопротивления является совмещение технологических операций с учетом почвенно-климатических условий зоны применения и особенностей возделываемых сельскохозяйственных культур. Совмещение операций в комбинированных машинах и агрегатах позволяет снизить энерго- и материальные затраты, а также обеспечить влагосбереже-ние [9; 10].

Для адаптации к различным условиям и состояниям обрабатываемого поля комбинированный культиватор необходимо оснастить такими рабочими органами и механизмами, которые обеспечат высокую эффективность выполнения всего комплекса взаимно дополняющих технологических операций. Поэтому исследования, направленные на разработку соответствующего почвообрабатывающего орудия, остаются актуальными и имеют большое значение для агропромышленного комплекса России.

Цель исследования – оценить эффективность комбинированного культиватора для поверхностной обработки почвы и повысить качество его работы.

Обзор литературы

Комбинированные культиваторы и агрегаты обычно выпускаются в по-луприцепном исполнении и агрегати-руются с энергетическими средствами. Основными рабочими органами являются стрельчатые, долотообразные лапы и прикатывающие катки. Дополнительно на раме культиватора устанавливаются выравнивающие доски, обеспечивающие разбивку комков и выравнивание поверхности почвы, а также сферические диски. Лапы устанавливаются на пружинных или жестких стойках [11].

В исследованиях установлено, что экономически выгодными являются почвообрабатывающие агрегаты с пружинными стойками. Широкое применение в конструкциях культиваторов и агрегатов нашли два типа пружинных стоек: S-образная и С-образная стойки. Данные стойки обладают лучшими энергетическими и агротехническими показателями, меньшим износом органов и возможностью работы на повышенных скоростях, что приводит к самоочистке от сорной растительности [12–14].

Основными недостатками пружинных стоек является то, что рабочие органы из-за неоднородности почвенного слоя в процессе работы отклоняются от первоначального положения. При увеличении угла наклона органа к горизонту возрастает тяговое сопротивление культиватора, бороздообразование, гребнистость и неустойчивость глубины обработки.

Для дробления глыб, уплотнения и выравнивания почвы, разрушения почвенной корки применяют катки. Поверхность рабочих органов катков разнообразна и предназначена для выполнения многообразных функций. На качество выполняемого технологического процесса влияет конструкция, геометрические размеры катков, кинематические и динамические параметры их работы, а также состояние обрабатываемого агрофона. Для эффективного крошения комков применяют прутковые катки. Продольно-прутковые катки сварной конструкции собраны в однорядную секцию и с помощью рычагов присоединяются к раме культиватора. Шарнирно-подпружиненное соединение катков с рамой агрегата обеспечивает копирование микрорельефа поля и предохраняет от поломок при встрече с препятствиями. Для обеспечения качества выравнивания поверхности почвы применяют спиралевидную форму расположения прутков1 [15–19].

Однако в современных конструкциях комбинированных культиваторов отсутствует автоматическое регулирование величины давления рабочих органов катков на почву в зависимости от ее состояния и физико-механических свойств.

Материалы и методы

Пружинную стойку с механической точки зрения можно представить в виде пружины двоякой кривизны, а с геометрической – как криволинейный стержень [20; 21].

Свободные изгибные колебания пружинной стойки можно описать следующим уравнением:

, d ⁴ u ( x , t ) , d ⁴ u ( x , t )       d ² u ( x , t )

k ---     ■ h ---+ m ---= 0 , (1)

dx ⁴          dtdx ⁴           dt ²

где u ( x, t ) – отклонение пружинной стойки от первоначального положения, м; k – жесткость стойки, Н/м; m – погонная масса стойки, кг/м; h – коэффициент, учитывающий внутреннее трение.

Для жесткого закрепления пружинной стойки к раме культиватора граничные условия имеют следующий вид:

u ( o , t ) = u ( L, t ) = 0

du      du ( x, t )    _ „ к

"T" x = 0 =     3      x = l = ⁰

dx t = t dx     t = t

где L – длина пружинной стойки.

Жесткость стойки k и ее погонная масса m вычисляются по формулам (3) и (4).

Жесткость на изгиб пружинной стойки определяется по формуле:

где Е – модуль упругости, Па;

J = 12^h2 + b2) — осевой момент инер- ции стойки, м4; β1 – угол наклона, град; i1 – число витков, шт; μ – коэффициент Пуассона.

тс • S_cmD • i_T у m ₌ ------сеч----- 1_ • ,

L • cos P i  g

где D – диаметр пружины, м; S _сеч – площадь поперечного сечения, м²; γ – удельный вес материала (плотность сложения), н/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Вышеперечисленные параметры рых-лительного рабочего органа обеспечивают устойчивость хода по глубине, интенсивность колебательного процесса и вероятность его выглубления с учетом почвенных условий.

Максимальная плотность почвы при уплотнении ее прутком катка достигается при его заглублении на глубину, равную радиусу прутка. При дальнейшем его заглублении происходит увеличение глубины распространения уплотнения [22–25].

Для определения расстояния между центрами прутков катка l рассмотрим случай, когда в почву внедряется только один пруток и глубина его погружения равна его радиусу r .

Из данных рисунка 1 расстояние между центрами прутков определяется по выражению [16]:

l ² = 2 R ² - 2 R 2 cos2 a ,       (5)

где R – радиус катка, м; α – угол заглубления прутка катка; град.

Зная, что cos 2 a = 1 - 2 sin a 2 , после преобразования уравнения (5) получим:

-----------^{2 EJ} sin P 1 -----------, (3)                   l = V 2 r ■ R . ц cos² Я

2 + ц cos P 1 +       ^т4эт 1

4 ^ i 1                 где r - радиус прутка, м.

Р и с. 1. Схема к определению расстояния между центрами прутков

F i g. 1. Diagram for determining the distance between the centers of the bars

С агротехнической точки зрения автоматические изменения жесткости стойки и силы давления катка на почву позволяют повысить качество обработки почвы, уменьшить потери почвенной влаги, а также снизить затраты энергии при обработке почвы тяжелого механического состава. При прохождении агрегата по уплотненному участку увеличиваются давление катка на почву и жесткость стойки, и наоборот, при прохождении агрегата по рыхлому участку давление катка на почву и жесткость уменьшаются. Это приводит к повышению качества обработки почвы [26–31].

На основании этого предложена и разработана конструкция комбинированного культиватора (рис. 2).

В конструкцию комбинированного культиватора введен механизм регулирования 5 глубины хода рабочих органов 8 , закрепленных на пружинных стойках 6 . Механизм регулирования 5 шарнирно закреплен с одной стороны к раме 1 культиватора через рычаг 3 , а с другой – к регулятору жесткости 4 .

В процессе работы, в зависимости от силы Р , которая действуюет на рабочие органы 8 и определяется физико-механическими свойствами почвы на конкретном участке поля, стойка 6 деформируется. Сигнал от деформируемой стойки поступает на следящее звено, которое, в зависимости от величины сигнала, изменяет положение механизма регулирования 5 , увеличивая или снижая жесткость стойки 6 .

Р и с. 2. Комбинированный культиватор: 1 – рама; 2 – почвообрабатывающий каток;

3 – рычаг; 4 – регулятор жесткости; 5 – механизм регулирования; 6 – пружинная стойка;

7 – пружина; 8 – рабочий орган

F i g. 2. Combined cultivator: 1 – frame; 2 – tillage roller; 3 – lever; 4 – stiffness regulator;

5 – control mechanism; 6 – spring rack; 7 – spring; 8 – working body

Одновременно при изменении положения регулятора 4 меняется воздействие на пружину 7 , а от рычага 3 соответствующее усилие передается на подвеску катка.

Пружина 7 в механизме выступает как упругий элемент, основным рабочим свойством которого является способность существенно деформироваться под нагрузкой. Как правило, эта деформация упругая, и после снятия нагрузки элемент восстанавливает свои размеры.

При перемещении агрегата по полю с изменением (ростом) плотности участка почвы регулятор жесткости 4 поворачивается по часовой стрелке, увеличивая жесткость стойки 6 , преодолевает сопротивление пружины 7 (сжимает ее) и воздействует на рычаг 3 , который перемещается вниз, усиливая давление на каток. Происходит стабилизация глубины хода рабочих органов 8 на пружинных стойках 6 , и усиливается давление катка 2 . Пройдя уплотненный участок поля, жесткость стойки 6 автоматически понижается, механизм разжимает пружину, происходит снижение давления катка 2 , а стойка 6 с рабочим органом 8 при уменьшении жесткости увеличивает амплитуду колебаний. Этим обеспечивается повышение качества

Том 32, № 4. 2022 обработки в зависимости от плотности почвы.

С целью дальнейшего исследования взаимодействия рыхлящих, дробящих и прикатывающих рабочих органов на почву на базе Института механики и энергетики МГУ им. Н. П. Огарёва была разработана экспериментальная модель комбинированного культиватора (секция культиватора). Данную модель культиватора испытывали на почвенном канале кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина (рис. 3).

Почвенный канал заполнен легкосуглинистой почвой влажность 17–21 %, твердость поддерживали постоянной на различной глубине обработки. На глубине 4 см твердость была 1,15 МПа, 8 см – 1,2 МПа, 12 см – 1,25 МПа.

В качестве критерия оптимизации рассматривали тяговое сопротивление секции культиватора и крошение почвы (размер фракций от 0 до 25 мм). С использованием методики априорного ранжирования были определены следующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на критерии оптимизации: скорость культиватора, глубина обработки и давление катка на почву.

Р и с. 3. Лабораторная установка по испытанию культиватора F i g. 3. Laboratory installation for testing the cultivator

Тяговое усилие на перемещение секции культиватора замеряли с помощью тягового звена, подключенного к компьютеру через комплекс ZETlab.

Результаты исследования

Для оценки эффективности и изучения показателей работы культиватора был проведен многофакторный эксперимент первого порядка. Экспериментальные исследования секции культиватора проводили с внедрением в ее конструкцию механизма регулирования 5 (рис. 2) жесткости стойки и давления катка на почву и без него (серийная секция культиватора). Результаты экспериментальных исследований секции культиватора представлены на рисунках 4 и 5.

Из полученной зависимости следует, что при увеличении глубины обработки тяговое сопротивление возрастает. Однако применение в конструкции модели культиватора механизма регулирования приводит к снижению его тягового сопротивления по сравнению с серийным. Это связано с уменьшением рабочей длины упругой стойки.

В связи с этим увеличивается ее жесткость, а угол наклона рабочего органа (стрельчатой лапы, закрепленной на стойке) к горизонту уменьшается.

Как видно на рисунке 5, крошение почвы при ее обработке экспериментальным культиватором выше по сравнению с серийным. Это достигается благодаря увеличению давления прикатывающего катка на почву. Однако с увеличением глубины обработки крошение почвы понижается.

Обсуждение и заключение

Использование разработанной модели культиватора (секции культиватора) приводит к снижению тягового сопротивления на 10–15 % и к улучшению крошения почвы. Это возможно благодаря внедрению в конструкцию культиватора механизма регулирования. В процессе работы на твердых участках поля угол наклона рабочих органов (стрельчатых лап) к горизонту не увеличивается, а дополнительное приложенное усилие к катку способствует разрушению образовавшихся больших комков почвы.

Р и с. 4. Изменение тягового сопротивления от глубины обработки (скорость 12 км/ч):

1 – экспериментальный культиватор; 2 – серийный культиватор

F i g. 4. Change in tractive resistance caused by the tillage depth (speed 12 km/ h):

1 – experimental cultivator; 2 – serial cultivator

ж2 —•— 1

4       5       6       7       8       9       10      11      12      13

Глубина обработки, м / Processing depth, m

Р и с. 5. Зависимость крошения почвы от глубины обработки (скорость 12 км/ч): 1 – экспериментальный культиватор; 2 – серийный культиватор

F i g. 5. Dependence of soil crumbling on the tillage depth (speed 12 km/h):

1 – experimental cultivator; 2 – serial cultivator

Полученные положительные результаты при лабораторных испытаниях являются предпосылкой для дальнейшей работы по обоснованию конструктивно-технологических па- раметров и режимов работы комбинированного культиватора для поверхностной обработки с последующими испытаниями в полевых условиях.

Поступила 26.09.2022; одобрена после рецензирования 22.10.2022; принята к публикации 05.11.2022

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 26.09.2022; approved after reviewing 22.10.2022; accepted for publication 05.11.2022

All authors have read and approved the final manuscript.