CC BY
9
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
6. Юрченко И. Ф. Специфика цифровых технологий по регулированию мелиоративного режима агроэкосистемы // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2021. № 3 (63). С. 376-388.
7. Юрченко, И. Ф. Цели и задачи трансформации сферы мелиоративной деятельности на основе цифровизации // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2022. № 2 (66). С. 414-422.
8. Bandurin M. A., Volosukhin V. A., Vanzha V. V. Technology for water economy monitoring of technical state of closed drainage on irrigation systems // Materials Science Forum. 2018. Vol. 931. P. 214-218.
9. Bandurin M. A., Yurchenko I. F., Bandurina I. P. Computer technology to assess the capacity reserve of the irrigation facilities of the agro-industrial complex // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2019. 2019. P. 8933970.
10. Numerical analysis of static strength for different damages of hydraulic structures when changing stressed and strained state / V. A. Volosukhin, M. A. Bandurin, V. V. Vanzha, A. V. Mikheev, Y. V. Volosukhin // Journal of Physics: Conference Series. International Conference Information Technologies in Business and Industry 2018 - Enterprise Information Systems. 2018. P. 042061.
11. Price characteristics of the project to construct the precipitation runoff system regulation / T. I. Safronova, O. G. Degtyareva, S. A. Vladimirov, I. A. Prikhodko // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2018. V. 9. № 6. P. 1845-1852.
12. Reducing the anthropogenic impact of natural risks on small rivers in the south of Russia / M. A. Bandurin, A. A. Rudenko, I. P. Bandurina, I. A. Prikhodko // IOP International Science and Technology Conference "Earth Science. 2022. P. 042037.
13. Vladimirov S. A., Prikhodko I. A., Verbitsky A. Y. Justification of rice watering methods and crop cultures // Journal of Agriculture and Environment. 2019. No 1 (9). P. 15.
Информация об авторах Волосухин Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, почётный работник высшего профессионального образования РФ, профессор кафедры сопротивления материалов ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина», ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2877-0985, [email protected]
Бандурин Михаил Александрович, доктор технических наук, доцент ВАК, заслуженный изобретатель РФ, декан факультета гидромелиорации ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина», ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0986-8848, [email protected] Приходько Игорь Александрович, кандидат технических наук, доцент ВАК, исполняющий обязанности заведующего кафедрой строительства и эксплуатации водохозяйственных объектов ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина», ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4855-0434, [email protected].
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-50 IMPROVING THE PROCESS OF CUTTING SOIL AND WEEDS IN ORGANIC
CROPTATION SYSTEM
N. I. Dzhabborov1, A. V. Dobrinov1, V.A. Eviev2, S. V. Chugunov1, S.D. Fomin3
institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production -branch of the Federal State Budgetary Institution FNAC VIM 2Kalmyk State University named after B. B. Gorodovikov 3Volgograd State Agrarian University
Received 02.10.2022 Submitted 02.12.2022
Summary
Relevance. The relevance of the research topic is related to the problem of increasing the efficiency of the tillage process and the destruction of weeds with a powerful root system in organic crop rotation. The purpose of the research is to study and simulate the process of changing the structural and technological parameters of the developed working organ in the form of a sickle-shaped one-sided paw when cutting the
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
rhizomes of weeds in the tillage system. An object. The object of research was the process of cutting the soil and rhizomes of weeds by a dynamic working organ with a sickle-shaped one-sided paw, the subject of research is the patterns of changes in its structural and technological parameters. Materials and methods. During the research, computational and empirical methods of modeling the structural and technological parameters of tools were used, based on the study of patterns occurring in the process of tillage when cutting weeds. Results and conclusions. Deterministic and probabilistic mathematical models have been developed to determine the specific pressure on the working organ when cutting soil and plant roots with sliding, its active area of the frontal projection, the width of the grip and the cutting angle. It was found that when operating in various operating modes, the active area of the frontal projection, the width of the grip and the cutting angle of the dynamic working body respectively vary within 195.1-280.3 cm2, 437.02-480.0 cm and 14.9-87.20. It has been found that with a decrease in the angles of the solution and cutting, the embedding of the sickle-shaped paw into the processed material is facilitated, the cutting effort and deformation of the cut soil layer and root are reduced, as well as the consumption of the required power for the process. If the cutting angles and the solution of the dynamic working body are excessively reduced, the cutting quality improves, but the thickness of the cutting edge and its strength decreases, which leads to an increase in wear. The use of a dynamic tillage working body with a sickle-shaped one-sided paw, in general, reduces dynamic loads, which mainly cause breakage or deformation of parts of tillage working bodies.
Key words: tillage, organic crop rotation, cutting of soil and plant rhizomes, dynamic working body, dynamic cutting, sickle-shaped one-sided paw.
Citation. Dzhabborov N.I., Dobrinov A.V., Eviev V.A., Chugunov S.V., Fomin S.D. Improving the process of cutting soil and weeds in organic croptation system. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 4(68). 418-433 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-50.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 631.316.022.4:62-408.64
УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПОЧВЫ И СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В СИСТЕМЕ ОРГАНИЧЕСКОГО СЕВООБОРОТА
Н.И. Джабборов1, доктор технических наук, профессор А.В. Добринов1, кандидат технических наук, доцент
B.А. Эвиев2, доктор технических наук, доцент
С.В. Чугунов1, научный сотрудник
C.Д. Фомин3, доктор технических наук, доцент
1Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, г. Санкт-Петербург 2Калмыцкий государственный университет имени Б. Б. Городовикова, г. Элиста 3Волгоградский государственный аграрный университет
Дата поступления в редакцию 02.10.2022 Дата принятия к печати 02.12.2022
Актуальность. Актуальность темы исследований связана с проблемой повышения эффективности процесса обработки почвы и уничтожения сорной растительности с мощной корневой системой в органическом севообороте. Цель исследований - изучение и моделирование процесса изменения конструктивно-технологических параметров разработанного рабочего органа в виде серпообразной односторонней лапы при резании корневищ сорных растений в системе обработки почвы. Объект. Объектом исследований являлся процесс резания почвы и корневищ сорных растений динамичным рабочим органом с серпообразной односторонней лапой, предметом исследований являются закономерности изменения его конструктивно-технологических параметров. Материалы и методы. При проведении исследований применялись расчетно-эмпирические методы моделирования конструктивно-технологических параметров орудий, основанные на изучении закономерностей,
419
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
протекающих в процессе обработки почвы при резании сорных растений. Результаты и выводы. Разработаны детерминированные и вероятностные математические модели для определения удельного давления на рабочий орган при резании почвы и корней растений со скольжением, его активной площади фронтальной проекции, ширины захвата и угла резания. Установлено, что при работе в различных режимах работы активная площадь фронтальной проекции, ширина захвата и угол резания динамичного рабочего органа соответственно варьируют в пределах 195,1-280,3 см2, 437,02480,0 см и 14,9-87,2°. Установлено, что с уменьшением углов раствора и резания облегчается врезание серповидной лапы в обрабатываемый материал, снижаются затрачиваемое усилие на резание и деформация срезаемого слоя почвы и корня, а также расход потребной мощности на процесс. При чрезмерном уменьшении углов резания и раствора динамичного рабочего органа улучшается качество резания, но снижается толщина режущей кромки и её прочность, что приводит к увеличению износа. Использование динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с серпообразной односторонней лапой, в целом снижает динамические нагрузки, которые в основном служат причиной поломки или деформации деталей почвообрабатывающих рабочих органов.
Ключевые слова: обработка почвы, органические севообороты, резание почвы, динамичные рабочие органы, динамическое резание, серпообразная односторонняя лапа.
Цитирование. Джабборов Н.И., Добринов А.В., Эвиев В.А., Чугунов С.В., Фомин С.Д. Улучшение процесса резания почвы и сорной растительности в системе органического севооборота. Известия НВ АУК. 2022. 4(68). 418-433. DOI: 10.32786/2071-9485-2022-04-50.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении или анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом и одобрили его.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Исследованиям процесса обработки почвы посвящены работы многих отечественных и зарубежных учёных. Обработка почвы различными рабочими органами в целом представляется сложным процессом. При обработке почва подвергается резанию, растягиванию, сжатию, изгибу, сдвига и обрыву.
Различные авторы в своих трудах в основном рассматривают отдельно взятый процесс обработки почвы и её взаимодействие с рабочим органом.
В процессе проведения анализа проведенных исследований ставилось задачей наглядно пояснить сущность процесса резания и различные подходы к использованию его для совершенствования теории динамического резания при обработке почвы.
В результате анализа процесса резания корней сеянцев авторами работы [7] разработаны зависимости сил, которые действуют на рабочий орган корнеподрезчиков и выкопочных машин с учётом их геометрических параметров и особенностей технологического процесса.
Авторами работы [ 18] разработан дисковый рабочий орган для обработки почвы и обоснована форма его режущей поверхности. Предложены формулы для анализа и определения величины деформации почвы, контактного напряжения на режущей кромке диска, сопротивления почвы резанию и другие параметры процесса резания почвы.
Более подробно изучено взаимодействие элементов рабочих органов с почвой в работе [8], где предложены математические модели для определения силы тяги трактора для преодоления горизонтальной составляющей и вертикальной составляющих сил трения почвы, а также затрат энергии на механическое перемещение ножа для разработки одного кубического метра грунта.
Заслуживают внимания результаты исследований деформирования почвы рабочими органами машин и орудиями технологических комплексов, изложенные в статье [6]. В данной работе автор приходит к заключению, что почва в зависимости от того, в
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
какие деформационные условия она будет поставлена, может разрушаться как путём отрыва, так и путём сдвига и поэтому может обладать, как тем, так и другим видом сопротивления деформированию и разрушению.
Исследования [16] показали, что в условиях свободного резания разрушение почвы под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих машин происходит путём сдвига по вертикальным и горизонтальным плоскостям, направленным в стороны боковых разрыхленных зон, то есть под углом к направлению движения.
Необходимо отметить, что использование математического аппарата разрушения упругих тел в классическом виде при проектировании почвообрабатывающих рабочих органов оказывается малоэффективным [2]. В данной статье рассмотрен один из возможных подходов к исследованию процесса разрушения почвы рабочими органами почвообрабатывающих машин. Автором предложена математическая модель силы сопротивления клина в функции от силы разрушения и силы трения движения почвы по клину в момент разрушения пласта.
Исследованиями [1] установлено, что при обработке почвы на степень её деформации и рыхления оказывают большое влияние конструктивные параметры рабочих органов. Общая степень деформации при этом состоит из деформации разрыва, сжатия, поворота и сдвига почвы.
Автором работ [9, 10] подробно рассмотрено взаимодействие поверхности и кромки консольного ножа с грунтом. Разработана методика расчёта силовых характеристик, структура, и определена совокупная энергия на процессы взаимодействия кромки и поверхности консольного ножа с грунтом.
Содержательное описание режимов резания и силовые воздействия на культива-торную лапу изложены в работе [11]. В данной работе даны схемы и силовые характеристики рубящего резания, резания с продольным перемещением и резания почвы со скольжением.
В последние годы во всем мире возросло внимание общества к повышению экологической безопасности технологий и технических средств возделывания сельскохозяйственных культур, в целом биологизации земледелия. При этом с целью исключения применения химических средств защиты растений вопросы механической борьбы с сорными растениями становятся актуальными. В качестве примера можно привести результаты исследований, которые отражают эффективность культиватора со щеточными барабанами [12], предпосевной и многократной обработками почвы [14, 15] в борьбе с сорным растениями механическим способом. Анализ результатов сравнительных испытаний химического и механического способов борьбы с сорными растениями [17, 19] в целом позволяет заключить о необходимости дифференцированного их применения в зависимости от поч-венно-рельефных и климатических условий возделывания сельскохозяйственных культур.
Начиная с 2015 года авторами настоящей статьи разработаны научные основы проектирования принципиально новых динамичных почвообрабатывающих рабочих органов с изменяемыми в заданных пределах параметрах: площади фронтальной проекции, углах резания и крошения почвы, практическая реализация которых в реальных условиях работы должна обеспечить повышение эффективности поверхностной обработки почвы снижением тягового сопротивления на 10-20 % и уменьшением расхода топлива на единицу обрабатываемой площади на 8-10 % по сравнению с типовыми почвообрабатывающими рабочими органами.
Техническая новизна созданных динамичных почвообрабатывающих рабочих органов подтверждена рядом патентов РФ (№ 169104, № 182130, № 2702551, №2755317, №2769225), а результаты экспериментальных исследований изложены в ряде работ [3-5, 13, 20].
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Так, в работе [4] были обоснованы конструктивные параметры рабочего органа для поверхностной и мелкой обработок почвы и уничтожения сорных растений, имеющих мощную корневую систему в органическом севообороте. Особенность конструкции его заключается в применении одностороннего крыла (лапы) серпообразной формы, прикрепленного к стойке посредством упругого элемента, наличие которого обеспечивает появление автоколебаний для предотвращения налипания на крыло почвы и корней растений, а также улучшения процесса подрезания и рыхления.
Полученные в процессе исследований [5] закономерности изменения агротехнических и эксплуатационных показателей экспериментальных рабочих органов серпообразной формы обеспечили требуемое качество подрезания сорной растительности и допустимое тяговое сопротивление.
Рассмотренный анализ литературных источников по теории резания почвы и других материалов иллюстрирует общую теорию резания почвы и дает представление о наиболее значимых принципах моделирования процесса обработки почвы, в частности, отражает использование различных методов определения сил сопротивления резанию почв, исходя из определенной совокупности наиболее значимых искомых факторов, то есть многочисленных характеристик процесса.
Практика показывает, что все факторы, влияющие на показатели процесса резания, являются случайными, в итоге математические модели процесса резания почвы должны быть вероятностными.
Таким образом, рассматриваемый процесс резания корневищ сорных растений при обработке почвы можно представить как совокупность процессов сдвига, изгиба, обрыва, сжатия и растягивания почвы рабочими органами различной конфигурации.
Исходя из этого, целью исследований является изучение и моделирование процесса изменения конструктивно-технологических параметров рабочего органа с серпообразной односторонней лапой при резании корневищ сорных растений в зависимости от ее колебаний в процессе обработки почвы.
Материалы и методы. Объектом исследований являлся процесс резания почвы и корневищ сорных растений динамичным рабочим органом с серпообразной односторонней лапой (рисунок 1), предметом исследований являются закономерности изменения его конструктивно-технологических параметров.
Рисунок 1 - Общий вид динамичного рабочего органа с серпообразной односторонней лапой Figure 1 - General view of a dynamic working organ with a sickle-shaped one-sided paw
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Основные конструктивные параметры рабочего органа для уничтожения сорных растений следующие: глубина обработки почвы - 5-15 см; ширина захвата рабочего органа - 540 мм; ширина захвата крыла - 480 мм; высота стойки - 880 мм; угол раствора в начале крыла - 30 град.; угол крошения долота - 30 град.; радиус кривизны режущей кромки крыла - 500 мм.
При проведении исследований применялись расчетно-эмпирические методы моделирования конструктивно-технологических параметров орудий, основанные на изучении закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы при резании сорных растений.
Результаты и обсуждение. Исходя из приведенного анализа научных статей [1-20] эффективность процесса резания почвы и её рыхление разработанным динамичным рабочим органом зависят от многочисленных факторов, в первую очередь, от таких как:
- геометрические параметры (угол заточки, шероховатость, угол резания, ширина захвата, толщина и т.д.);
- скорость перемещения в процессе работы;
- удельное давление на рабочий орган и на его режущую кромку;
- свойство материала, из которого изготовлен рабочий орган;
- скольжение почвы и корневищ сорных растений по рабочему органу;
- защемление корневищ сорных растений.
На рисунке 2 представлена схема сил, действующих на серпообразную одностороннюю лапу динамичного почвообрабатывающего рабочего органа.
Рисунок 2 - Схема сил, действующих на серпообразную одностороннюю лапу динамичного почвообрабатывающего рабочего органа: N — нормальное давление почвы на фаску серпообразной лапы; Ff — сила трения почвы о стали; R — реакция почвы на затупленную площадку лезвия лапы; Ri и R2 - горизонтальная и вертикальная составляющие реакции R почвы; в — угол резания
Figure 2 - Diagram of forces acting on the sickle-shaped one-sided paw of a dynamic tillage working body: N is the normal pressure of the soil on the chamfer of the sickle-shaped paw: N — the friction force of the soil on steel; R - the reaction of the soil to the blunted pad of the paw blade; R1 and R2 - the horizontal and vertical components of the soil reaction R; в - the cutting angle
От правильного выбора угла резания в зависят сила резания, действующая на одностороннюю серпообразную лапу, потребная мощность и качество резания.
На рисунке 3 рассмотрены силы, действующие лапу рабочего органа при резании почвы и корней растений со скольжением.
423
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 3 - Силы, действующие на серпообразную одностороннюю лапу рабочего органа при резании почвы и корней растений со скольжением: 1 - долото со стойкой рабочего органа; 2 - упругий элемент; N — нормальное давление (сила, действующая на почвенный компонент); F — сила трения на фаске ножа серпообразной односторонней лапы; R — сила резания; NT — касательная сила к лезвию серпообразной лапы;
Nv — сила, воздействующая на лезвие лапы по направлению скорости перемещения;
Y — угол раствора; m — почвенный компонент
Figure 3 - Forces acting on the sickle-shaped one-sided paw of the working body when cutting soil and plant roots with sliding: 1 - chisel with a working body stand; 2 - elastic element; N - normal pressure (force acting on the soil component); F- friction force on the chamfer of the knife of the sickle-shaped one-sided paw; R- cutting force; NT- tangential force to the blade of the sickle-shaped paw; NV- force acting on the blade of the paw in the direction of the speed of movement; y — angle of the solution; m- soil component
Удельное давление на лезвие серпообразной односторонней лапы рабочего органа при скользящем резании можно определить по формуле:
1 sp
N/.
AL>
Н/мм,
(1)
где N - нормальное давление, Н; ЛЬ — загруженная часть лезвия ножа серпообразной односторонней лапы (зона действия нормального давления, то есть силы, действующей на почвенный компонент), мм.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
В процессе резания почвы или корневищ сорных растений они разрушаются под воздействием давления вершины лезвия (двухгранного угла рабочей части) серпообразной односторонней лапы. При этом процесс резания лезвием лапы состоит из двух основных этапов: первое - уплотнение почвы и корневищ сорных растений, и второе -их резание (рисунок 4).
Рисунок 4 - Принципиальная схема изменения удельного давления на лезвие серпообразной односторонней лапы динамичного рабочего органа при скользящем резании: Р5р — удельное давление на лезвие серпообразной односторонней лапы; ДL — загруженная часть лезвия ножа
cd vcd
лапы; Р —начальная зона уплотнения почвы; Рг, Р2 ... Р; — зоны уплотнения почвы; , Ъ
... — зоны резания и разуплотнения
Figure 4 - Schematic diagram of the change in specific pressure on the blade of a sickle-shaped
one-sided paw of a dynamic working body during sliding cutting: Psp- specific pressure on the blade of a sickle-shaped one-sided paw; AL- loaded part of the blade of the paw knife; P-initial soil compaction zone; Pi,P2...Pi- soil compaction zones; Zi°d, Z2cd, Z3cd...
Zicd- cutting and decompression zones
Как видно из рисунка 4 в начале процесса происходит процесс сжатия и уплотнения обрабатываемого материала. Далее происходит резание, которое характеризуется волнообразной кривой.
На рисунке 5 показана зависимость активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с серпообразной односторонней лапой при отсутствии колебаний (при фиксированных значениях ширины захвата и угла раствора) от глубины обработки hsm почвы.
Активная площадь фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа представляет собой ту площадь его поверхности, которая непосредственно взаимодействует с почвой и зависит от его конструктивных параметров (формы, качества поверхности или обтекаемости), расположения на раме агрегата и глубины обработки почвы [12].
В большинстве своем на почвообрабатывающих машинах используются рабочие органы с фиксированными геометрическими размерами, то есть в таких рабочих органах площадь фронтальной проекции остается постоянной. Рабочие органы (с изменяе-
7cd
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
мой геометрией) в определённом диапазоне позволяют во время работы на непродолжительное время снизить тяговое сопротивление, уменьшить свою площадь фронтальной проекции при увеличении плотности или твердости почвы.
Рисунок 5 - Зависимость активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от глубины обработки hsm почвы
Figure 5 - Dependence of the active area of the frontal projection Fa of a dynamic tillage working
body on the depth of tillage hsm of the soil
Анализ полученной зависимости показывает, что при увеличении глубины обработки hsm почвы от 5 до 20 см активная площадь фронтальной площади Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в увеличивается от 116,80 до 280,27 см2 (рисунок 5).
Снижение интенсивности роста активной площади фронтальной проекции Fa начинается на глубине 15 см и продолжается до 20 см и связано со стабилизацией величины плотности и твердости в данном почвенном горизонте.
Выявленная закономерность изменения активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа при отсутствии колебаний от глубины hsm обработки почвы, описывается эмпирической зависимостью:
Fa = -0.62298h2sm + 26.47275hsm. (2)
Из-за вероятностного характера изменения глубины обработки почвы происходит нестабильность значений активной площади фронтальной площади рабочего органа.
Вероятностная математическая модель активной фронтальной площади динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, дифференцированная от меры рассеяния глубины обработки почвы, выглядит так:
Fa = ahsm + bh2sm(1 + (3)
где a = 26.47275 и b = -0.62298 - угловые коэффициенты; hsm — среднее значение глубины обработки почвы, см; vhsm — мера рассеяния (или коэффициент вариации) глубины обработки почвы.
Колебание нагрузки на серпообразную одностороннюю лапу, в том числе и удельного давления на её лезвие, приводит к изменению ширины захвата, угла резания и площади фронтальной проекции рабочего органа.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
В качестве примера на рисунке 6 представлена графическая зависимость ширины захвата динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения I конца его упругого элемента.
Ь 485
"Ич
"" 480 475
Рисунок 6 - Зависимость ширины захвата bw динамичного рабочего органа от смещения l конца упругого элемента
Figure 6 - The dependence of the capture width bw of the dynamic working body on the displacement l of the end of the elastic element
Значения величины смещения конца упругого элемента не остаются постоянными по причине случайного характера нагрузки на рабочий орган, в том числе и на лезвие серпообразной односторонней лапы. Это в целом приводит к постоянному изменению ширины захвата рабочего органа.
При смещении конца упругого элемента от 0 до 42,5 см (рисунок 6) наблюдается уменьшение ширины захвата рабочего органа от 480 до 437,02 см.
Эмпирическая зависимость, описывающая закономерность изменения ширины захвата bw рабочего органа от смещения I конца упругого элемента, описывается следующим выражением:
-0.01439/2 - 0.39968/ + 480.
К, =
(4)
Вероятностную математическую модель процесса изменения ширины захвата рабочего органа, дифференцированную от меры рассеяния величины смещения конца упругого элемента, можно представить в виде:
Ьт = а1+Ь11 + с112(1 + у*), (5)
где % = 480 - постоянная величина;^ = -0.39968 и с1 = -0.01439 - угловые коэффициенты; VI - коэффициент вариации смещения конца упругого элемента.
Как уже было установлено, из-за вероятностного характера нагрузки происходит изменение активной площади фронтальной проекции и ширины захвата почвообрабатывающего рабочего органа. При этом угол раствора у лезвия лапы также не остается постоянным и изменяется в зависимости от расстояния Ьь от упругого элемента до искомой точкиРг, в пределах от 0 до 480 мм (рисунок 7).
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 7 - Схема измерения расстояния Lb (Lb.) от упругого элемента до искомой точки Р^
Figure 7 - Distance measurement scheme Lb (Lb.) from the elastic element to the desired point P;
Графическая зависимость угла раствора у односторонней серпообразной лапы динамичного почвообрабатывающего рабочего органа на расстоянии Lb от упругого элемента до искомой точки Pt показана на рисунке 8.
Изменение угла раствора у лапы рабочего органа на расстоянии Lb от упругого элемента до искомой точки Pt описывается следующими эмпирическими зависимостями:
- при отсутствии смещения конца упругого элемента рабочего органа, l = 0 мм:
у = -0.00012L| + 0.19908Lb + 19.38. (6)
- при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 20 мм:
у = -0.00013L| + 0.20188Lb + 17.20. (7)
- при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 42,5 мм:
у = -0.00014L| + 0.20494Lb + 14.90. (8)
При изменении расстояния Lb от 0 до 480 мм и смещении конца упругого элемента от 0 до 42,5 мм угол раствора по всему периметру лезвия лапы почвообрабатывающего рабочего органа изменяется в широких пределах у= 14,9 — 87,18°.
Более длинная траектория резания лапы с заданным радиусом кривизны режущей кромки 500 мм рабочего органа по сравнению с существующими орудиями обеспечит скользящее рубящее резание корней (рисунок 4).
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
О 240 480 tj, mm
Рисунок 8 - Зависимости угла раствора у односторонней серпообразной лапы рабочего органа при смещении l на расстояние Lb от упругого элемента до искомой точки P;: 1 - при отсутствии смещения конца упругого элемента рабочего органа, l = 0 мм;
2 - при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 20 мм;
3 - при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 42,5 мм
Figure 8 - Dependences of the angle of the solution у of the one-sided sickle-shaped paw of the working body at a displacement l by a distance Lb from the elastic element to the desired point P;: 1 - in the absence of displacement of the end of the elastic element of the working body, l=0 mm;
2 - when the end of the elastic element of the working body is displaced, l = 20 mm;
3 - when the end of the elastic element of the working body is displaced, l = 42.5 mm
Графическая зависимость угла раствора у серпообразной лапы рабочего органа на расстояние Lb от величины смещения l конца упругого элемента представлена на рисунке 9.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
3
1--*_/
1 1
1 f 1
1 1 —*---
1 1
1 1
1 1 --L-
Л-*-♦
! ' !
20
42.5 I, mm
Рисунок 9 - Зависимости угла раствора у серпообразной лапы рабочего органа на расстояние Lb от величины смещения l конца упругого элемента: 1 - исходная точка измерения в месте крепления лапы и упругого элемента, Lb = 0;
2 - исходная точка измерения в центре лапы, Lb =240 мм;
3 - исходная точка измерения на конце лапы, Lb =480 мм
Figure 9 - Dependences of the angle of solution у of the sickle-shaped paw of the working body at a distance Lb from the displacement value l of the end of the elastic element: 1 - the starting point of measurement at the attachment point of the paw and the elastic element, , Lb = 0; 2 - the starting point of measurement in the center of the paw, Lb=240 mm; 3 - the starting point of measurement at the end of the paw, Lb = 480 mm
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
При функционировании серпообразной лапы динамичного почвообрабатывающего рабочего органа угол раствора у в отдельно взятой искомой точке Р^ не остается постоянным по причине постоянного колебания упругого элемента, что в итоге, как показали результаты экспериментальных исследований, улучшает процесс резания.
Закономерности изменения угла у раствора серпообразной лапы рабочего органа на расстояние Ьь от величины смещения конца упругого элемента / описываются следующими эмпирическими зависимостями:
- исходная точка измерения в месте крепления серпообразной лапы и упругого элемента Lb = 0:
у = 0.00016/2 - 0.11219/ + 19.38. (9)
- исходная точка измерения в центре лапы =280 мм):
у = 0.00016/2 - 0.10261/ + 60,22. (10)
- исходная точка измерения в конце лапы =480 мм):
у = 0.00018/2 - 0.14166/ + 87,18. (11)
На рисунке 10 показаны зависимости активной площади фронтальной проекции ^ динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения I конца упругого элемента.
Fn.sm2
250
200
150
100
50
*-*--^г" 3 ■-г-■- ;
2 ^ У1
20
42,5 I, mm
Рисунок 10 - Зависимости активной площади фронтальной проекции Fa динамичного
почвообрабатывающего рабочего органа от смещения l конца упругого элемента: 1 - глубина обработки почвы hCM = 10 см; 2 - глубина обработки почвы hCM = 15 см;
3 - глубина обработки почвы hCM = 20 см
Figure 10 - Dependences of the active area of the frontal projection Fa of a dynamic tillage working body on the displacement of the l end of the elastic element: 1 - the depth of tillage hCM =10 cm; 2 - the depth of tillage hCM= 15 cm;
3 - the depth of tillage hCM= 20 cm
В пределах изменения глубины обработки почвы ftCM = 0-20 см и смещения конца упругого элемента / = 0 — 42,5 см, активная площадь фронтальной проекции динамичного почвообрабатывающего рабочего органа Fa = 195,136 — 280,265 см2.
Закономерности изменения активной площади Fa фронтальной проекции адаптивного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения / конца упругого элемента описываются следующими эмпирическими зависимостями:
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
- глубина обработки почвы = 10 см:
К = -0.00586/2 + 0.077565/ + 202.43.
(12)
- глубина обработки почвы = 15 см:
К = -0.00586/2 + 0.077565/ + 264.201.
(13)
- глубина обработки почвы = 20 см:
К = -0.00586/2 + 0.077565/ + 280.265.
(14)
Исходя из проведенных исследований, можно заключить, что углы раствора у и резания в играют важную роль в процессе резания как самой почвы, так и корневищ сорных растений. С уменьшением углов у и в облегчается врезание серпообразной лапы в обрабатываемый материал, снижается затрачиваемое усилие на резание и уменьшаются деформация срезаемого слоя почвы и корня, а также расход потребной мощности на процесс. При чрезмерном уменьшении углов у и в, улучшается качество резания, но снижается толщина режущей кромки и понижается её прочность, что приводит к увеличению износа. При увеличении углов у и в происходит ухудшение качества резания и увеличение потребной мощности на процесс.
Применяемые в настоящее время в производстве почвообрабатывающие рабочие органы имеют постоянные углы раствора у резания в, при этом качество процесса обработки почвы достигается, как правило, возможностью выбора рациональных скоростных режимов работы и частичной регулировкой их положения в конструкции машины.
В разработанном динамичном почвообрабатывающем рабочем органе серпообразная односторонняя лапа закреплена со стойкой посредством упругого элемента, что обеспечивает её колебания в зависимости от нормального давления N (рисунок 3). Энергия нормального давления N превращается во внутренние колебания деталей рабочего органа.
Величина нормального давления N представляет собой случайную величину, которая зависит от непрерывно изменяющейся твердости, плотности, влажности, глубины обработки почвы и других факторов.
При этом происходит колебание скорости и угла раствора у, а также угла резания в серпообразной лапы, то есть происходит динамическое резание. Причём при увеличении нормального давления N происходит изменение углов раствора и резания в меньшую сторону, что в принципе улучшает качество процесса.
Результаты исследований других ученых [2, 16] и авторов настоящей работы свидетельствуют, что динамическое резание снижает вероятность появления нароста на режущей кромке почвообрабатывающего рабочего органа, который повышает его тяговое сопротивление, а в случае образования на лезвии лапы способствует его срыву.
Использование динамичных рабочих органов [5, 13, 20], в том числе с серпообразной односторонней лапой, в целом снижает динамические нагрузки, которые в основном служат причиной поломки или деформации деталей почвообрабатывающих рабочих органов.
Следует отметить, что изложенные результаты наших исследований в дальнейшем могут быть использованы для решения практических задач, возникающих при разработке принципиально новых энергоэффективных рабочих органов для обработки почвы и уничтожения сорных растений с мощной корневой системой.
Выводы. Обоснована схема сил, действующих на серпообразную одностороннюю лапу динамичного рабочего органа при резании почвы и корней растений со скольжением.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Установлена закономерность изменения удельного давления на лезвие лапы рабочего органа при скользящем резании.
Установлены закономерности изменения активной площади фронтальной проекции, ширины захвата, угла раствора почвообрабатывающего рабочего органа от нагрузки и колебаний упругого элемента.
В результате исследований установлено, что углы раствора и резания играют важную роль в процессе резания почвы и корневищ сорных растений. С их уменьшением облегчается врезание серпообразной лапы в обрабатываемый материал, снижаются затрачиваемое усилие на резание и деформация срезаемого слоя почвы и корня, а также расход потребной мощности на процесс. При чрезмерном уменьшении углов резания и раствора динамичного рабочего органа улучшается качество резания, но снижается толщина режущей кромки, понижается её прочность, что приводит к увеличению износа.
Использование динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с серпообразной односторонней лапой, в целом снижает динамические нагрузки, которые в основном служат причиной поломки или деформации деталей почвообрабатывающих рабочих органов.
Библиографический список
1. Ахметшин Т. Ф. Влияние геометрических параметров почвообрабатывающих деталей на степень деформации почвы // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. № 1 (45). С. 50-53.
2. Бледных В. В. Разрушение почвы двухгранным клином // Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК (ФОНТиТМ-АПК-13): материалы Всероссийской научно-практической конференции. 2013. С. 3-7.
3. Джабборов Н. И., Сергеев А. В., Семенова Г. А. Математическая модель для прогнозирования допустимых скоростей перемещения динамичного почвообрабатывающего рабочего органа // Теоретический и научно-практический журнал «АгроЭкоИнженерия». 2020. № 3 (104). С. 58-65.
4. Джабборов Н. И., Добринов А. В. Обоснование конструктивных параметров рабочего органа для рыхления почвы и уничтожения сорных растений в органическом земледелии // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2022. Т. 15. № 1 (72). С. 23-33.
5. Добринов А. В., Джабборов Н. И., Чугунов С. В. Сравнительная оценка эффективности рабочих органов для обработки почвы и уничтожения сорных растений. Известия НВ АУК. 2022. № 2 (66). С. 465-480.
6. Дьяков В. П. О результатах исследований деформирования почвы рабочими органами машин и орудиями технологических комплексов // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 8. С. 42-46.
7. Казаков В. И., Казаков И. В. Исследование процесса резания корней сеянцев при подрезке и выкопке // Лесотехнический журнал. 2014. № 2. С. 216-219.
8. Николаев В. А. Расчёт затрат энергии на резание грунта горизонтальным лезвием путём анализа процесса // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2019. № 2. С. 243-250.
9. Николаев В. А. Анализ взаимодействия поверхности консольного ножа с грунтом // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2020. Т. 17. № 3 (73). С. 340-350.
10. Николаев В. А. Анализ взаимодействия кромки консольного ножа с грунтом // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2020. Т. 17. № 2 (72). С. 172-181.
11. Никонов М. В. Силовые воздействия на культиваторную лапу в процессе работы и возможности их оценки // Вестник Мичуринского государственного аграрного университете. 2015.№ 3. С. 177-181.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
12. Обзор машин для обработки пропашных культур и их усовершенствование для экологического земледелия / А. И. Филиппов, А. А. Аутко, В. П. Чеботарев, К. Л. Пузевич // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. № 1. С. 160-167.
13. Оценка вероятностно-статистических характеристик тягового сопротивления почвообрабатывающего агрегата с динамичными рабочими органами / Н. И. Джабборов, В. А. Эвиев, А. В. Сергеев, Г. А. Семенова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование, 2019. № 2 (54). С. 275-284.
14. Папка О. С. Агроэкологическая оценка эффективности систем обработки почвы как метода контроля ваточника сирийского (asclepias syriaca l.) // Acta Biologica Sibirica. 2015. Т. 1. № 3-4. С. 244-257.
15. Старовойтова О. А., Старовойтов В. И., Манохина А. А. Эффективная борьба с сорняками в органическом земледелии // Научные инновации - аграрному производству: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летнему юбилею Омского ГАУ. 2018. С. 402-411.
16. Тухтакузиев А., Имомкулов К.Б. Воздействие рабочих органов на почву в условиях свободного резания //Сельскохозяйственные машины и технологии. 2013. № 3. С. 35-37.
17. Фетюхин И. В., Черненко И. Е., Игнатов С. А. Эффективность механического и химического методов борьбы с сорняками в посевах подсолнечника // Актуальные проблемы агрономии современной России и пути их решения: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 105-летию факультета агрономии, агрохимии и экологии. 2018.С. 197-204.
18. Шовкопляс А. В., Ищенко М. П. Теоретическое обоснование формы режущей поверхности дискового рабочего органа для обработки почвы // Инновационное развитие: Потенциал науки и современного образования: сборник статей Международной научно-практической конференции. Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2018. Ч. 1. С. 142-146.
19. Эльмесов А. М., Шибзухов З. С. Регулирование сорного компонента агрофитоценоза в земледелии // Современное экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты рационального природопользования: II международная научно-практическая интернет-конференция. Прикаспийский НИИ аридного земледелия, 2017. С. 822-825.
20. Regularities of deformation of the bending of elastic elements and the parameters of vibrations of a dynamic tillage operating part / N. Dzhabborov, A. Sergeev, A. Zakharov, A. Perekopskiy // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE).
Информация об авторах Джабборов Нозим Исмоилович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве, (196625, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация), тел. 8(812) 466-55-78, ORCID: 0000-0001-8910-2625, E-mail: [email protected].
Добринов Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве (196625, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация), тел. 8(812) 466-55-78, ORCID: 0000-0002-3242-1235, E-mail: [email protected].
Эвиев Валерий Андреевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой агроинжене-рии, декан инженерно-технологического факультета Калмыцкого государственного университета имени Б.Б. Городовикова. (РФ, 358000, г. Элиста, ул. Пушкина, 11). E-mail: [email protected]. Чугунов Сергей Валерьевич, научный сотрудник отдела агроэкологии в растениеводстве (196625, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация), тел. 8(812) 466-55-78, 0000-00016820-3152, E-mail: [email protected].
Фомин Сергей Денисович, профессор кафедры «Механика», заведующий Центром наукометрического анализа и международных систем индексирования, Волгоградский государственный аграрный университет (РФ, 400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26), доктор технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7910-9284 E-mail: [email protected]
