Повышение качества мелкой обработки почвы горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами

УДК 631.316.02

05.00.00 Технические науки

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МЕЛКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ДИСКОВЫМИ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ

Трубилин Евгений Иванович д-р. техн. наук, профессор SPIN-код автора: 6414-8130

Дробот Виктор Александрович инженер

SPIN-код автора: 7889-3176

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Создание машин и орудий нового поколения, высокоэкономичных, высокопроизводительных, менее энергоемких и металлоемких - глобальная задача современной науки. В данной статье на основе многочисленных исследований предложено использование эффекта колебательного движения в почвообрабатывающем рабочем органе, позволяющего усовершенствовать конструкцию почвообрабатывающих машин, снизить металлоемкость, энергоемкость, повысить качество работы. Предложен новый почвообрабатывающий рабочий орган, работающий в горизонтальной плоскости и имеющий специальные выступы (лопатки), позволяющие ему совершать возвратно-вращательное движение. Применение данного рабочего органа обеспечивает агротехническую, экологическую, энергетическую и экономическую эффективность посредством подрезания пласта почвы и корневой системы сорной растительности, крошения пласта почвы при его взаимодействии с рабочими поверхностями лопаток. За счет возвратно-вращательного движения наблюдается самоочищение рабочего органа. Приведена конструктивно-технологическая схема рабочего органа и схемы сил, действующих на предлагаемый рабочий орган в момент заглубления и при повороте рабочего органа на некоторый угол. Получены условия возвратно-вращательного движения рабочего органа, дифференциальные уравнения, позволяющие рассмотреть процесс движения рабочего органа, а также получены выражения для элементарных сил, действующих на поверхность лопатки со стороны пласта почвы движущегося по ней

Ключевые слова: ОБРАБОТКА ПОЧВЫ, КАЧЕСТВО, ЭНЕРГОЕМКОСТЬ, ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫЙ СФЕРИЧЕСКИЙ ДИСК, АГРЕГАТ

UDC 631.316.02 Technical sciences

IMPROVING THE QUALITY OF FINE SOIL TREATMENT OF HORIZONTAL DISK WORKING ORGANS

Trubilin Evgeny Ivanovich Dr.Sci.Tech., professor RSCI SPIN-code: 6414-8130

Drobot Viktor Alexandrovich engineer

RSCI SPIN-code: 7889-3176

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

The creation of machines and tools of new generation, which represent high-efficiency, high-performance and take less energy and metal is a global challenge for the modern science. In this article, based on numerous studies, it is proposed to use the effect of oscillatory motion in the working body of tillage, improving the design of tillage machines that aims to reduce metal consumption, energy intensity and improve quality of work. A new tillage working body, running in a horizontal plane and having special tabs (blades) allowing it to make a reciprocating rotational motion has been presented. The application of this working body provides agronomic, environmental, energetic and economic efficiency by trimming the layer of the soil and root system of weeds, crumbling soil layer during its interaction with the working surfaces of the blades. Due to the reciprocating rotational motion, the cleaning of the working body is observed. The constructive and technological scheme of the working body and the scheme of forces acting on the proposed working body at the moment of penetration and the rotation of the working body at a certain angle are offered. The conditions for the reciprocating rotational motion of the working body are obtained as well as differential equations allowing considering the process of movement of the working body. The article also reveals expressions for the elementary forces acting on the surface of the blade from the moving layer of soil

Keywords: SOIL, QUALITY, INTENSITY, HORIZONTAL SPHERICAL DISC, UNIT

Повышение качества мелкой обработки почвы горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами

Первостепенную роль в сельскохозяйственном производстве играет обработка почвы. В настоящее время необходимо улучшать способы и системы обработки почвы, использовать более совершенные сельскохозяйственные машины [1].

Совершенствование применяемых способов обработки почвы, в том числе и мелкой, направлено на повышение ее качества, существенно влияющего на урожайность сельхозкультур и на снижение всех видов затрат: энергетических, трудовых, денежных. Применяемые машины для мелкой обработки почвы зачастую не выполняют агротехнические требования по степени крошения, структурно-агрегатному составу почвы, равномерности глубины обработки, подрезанию корневой системы сорняков и пожнивных остатков, выравненности поверхности и др. Кроме того, в результате анализа выявлено, что существующие орудия и технические средства для выполнения технологической операции обработки почвы имеют высокую энергоемкость.

В этой связи совершенствование конструкции рабочих органов машин для мелкой обработки почвы имеет высокую актуальность и практическую значимость для сельскохозяйственного производства [2, 3].

Анализ конструкций почвообрабатывающих машин и рабочих органов для поверхностной и мелкой обработок почвы, а также состояние исследований в этой области показали, что наиболее целесообразным приемом снижения тягового сопротивления, энергоемкости и улучшения качества работы машины следует считать использование в них эффекта колебания рабочего органа [4, 5].

В предлагаемом новом рабочем органе для мелкой обработки почвы использован горизонтально расположенный сферический диск

[6], установленный на вертикальной оси и снабженный выступами (лопатками), за счет которых происходит возвратно-вращательное движение, который позволяет устранить отмеченные выше недостатки по выполнению требований к качеству обработки почвы [7, 8].

При взаимодействии дискового рабочего органа на поверхности лопаток действуют силы [9]. Предположим, что точка приложения этих сил совпадает с центрами тяжести поверхностей I и II. Пусть Q - центр тяжести поверхности I, а CII - центр тяжести поверхности II (рисунок 2).

Рисунок 1 - Горизонтально расположенный сферический диск (1, 2,

2

1

3

4

3, 4 - лопатки)

Н

I

I и II - поверхности лопатки; а и в - углы наклона поверхностей к плоскости диска

Рисунок 2 - Сечение А - А лопатки 4

Представим рабочий орган в виде схемы (рисунок 3).

z

к №

X

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на предлагаемый рабочий орган в момент заглубления

Согласно теории вращения дисковых рабочих органов, возмущенным движением предлагаемого дискового рабочего органа в горизонтальной плоскости будет его возвратно-вращательное движение вокруг его оси, описываемое уравнением:

• sin cot)  h

2

где - момент инерции относительно вертикальной оси, м4; Ф - угол поворота, рад;

Fnoci _ постоянная составляющая силы сопротивления, Н;

4

F

изменение силы сопротивления, Н;

и

h 1 и - расстояния от оси вращения до центров тяжести поверхностей I и II лопаток 1 и 3, м;

h

wJ - угловая скорость, об/мин;

- время, мин.

Решая уравнение (1), получим изменение угла поворота, повремени.

В начальный момент времени при имеем:

t = 0

= О

и

-t-  t -t-  t2 + ^^  t3

,

= F . ь - F . Ь = F • Oi — h 1

,

h2  to  cos cot — Flj0[  h±  со  cos cot)  cos <p +

икт + Рад sin «*)  h2 - (Fn(JCT + F1C0)  sin Git)  h J  (- si

sin

= F2 m  h2  со - Fli0 [ • h;1  со = со

.

При заданных начальных параметрах получаем зависимость угла поворота от времени движения (уравнение 2) (рисунок 4):

= o + - -t + 'nccT ^ H-

\ 1 2-1 1-2,-3

Рисунок 4 - Распределение сил, действующих на рабочий орган, при

повороте на угол

<Р

Для рассмотрения силы, действующей на поверхность лопатки со стороны пласта, выделим из пласта двумя бесконечно-близкими плоскостями, перпендикулярными к относительной траектории частицы, элемент АВСБ длиной ds (рисунок 5) и проведем в касательной плоскости к поверхности ось p по нормали к траектории [10].

Рисунок 5 - Схема к рассмотрению сил, действующих на пласт

Выделенный элемент пласта имеет три степени свободы; он может перемещаться в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на поверхности и, кроме того, может вращаться относительно оси, направленной по нормали к поверхности [10].

Согласно теории [10] элемент находится в равновесии под действием

сил:

- - проекции силы веса на направление выбранной оси;

- - проекции силы инерции на ось р;

проекция элементарной подъемной силы, возникающей вследствие действия сжимающих пласт усилий (проекция равнодействующей сил T и T' на касательную плоскость к поверхности);

4 проекция элементарной «упругой» силы пласта, возникающей при его изгибе в касательной плоскости к поверхности.

При этом сила согласно [10], уравновешивает распределенную нагрузку от сил веса, сил инерции и подъемных сил, приходящихся на элемент дуги ds.

Таким образом, со стороны пласта на поверхность лопатки действует р

сила к, равная:

Выражения для элементарных сил Р, согласно [10] выгля-

дят следующим образом:

)р =а • Ь'у -sine - cost

«Ь'7 „2

i?r  к

где а -А

7.

толщина пласта (глубина обработки);

- ширина пласта (радиус диска);

- удельный вес пласта;

- параметр, определяющий положение точки образующей на поверхности лезвия (рисунок 6);

- угол между касательной к траектории и горизонтальной прямой, проведенной через точку касания в касательной плоскости к поверхности (рисунок 7);

3 _

v,

ускорение силы тяжести;

относительная скорость движения пласта;

т к

сжимающее усилие в данном сечении пласта;

геодезическая кривизна траектории средней точки пласта.

,

где- угол смежности (рисунок 7).

/-А/-У-/-7

Рисунок 6 - Кривая сечения лезвия плоскостью, перпендикулярной http://ej .kubagro.ru/2016/04/pdf/04.pdf

образующим

Рисунок 7 - Развертка поверхности лопатки с нанесенной на ней

относительной траекторией Подставим выражения 4 - 6 в выражение 3 получим:

Рн = о  Ъ • у  sin £  cos т  ds +  i?r2  к • ds + Т • к

Согласно ранее проведенных теоретических исследований получаем условие вращения диска:

Ъ • у  sin £ • cos т  ds +

Q • Ь ~у 2 kd+Tkd^j

3

(ct-fc

< \<лжЬ'У' sin £  cos т  ds  v.? • k - ds +

s

sma

<

Разделим обе части неравенства на ds:

/ . о,' b • у \

^а  b • у • sin £  cos т 4---i?r  к Ч- 71  к J  sm^ <

< fa  &  г  sin £  cos т +  t^2  к + Т • к)  sma

.

При достижении определенного значения угла вращение дискового рабочего органа произойдет в обратную сторону согласно условия:

/ а*Ъ'у - \

[q • Ь • у  sin £  cos т 4---v^ • к + Т • к J  snx/?  cos<p 4-

( a-b-y \ + 2  /  (a  b • у • sin £  cos т H-----vr• к + T • к J • sind 4/ a •b •y i \ +f  I a  b • у  sin £  cos г H---vr• -k 4- T • к  sinp >

\ Q /

> f a   у  sin £  cos т 4- . vf • к + T • k ) • sina • cos<p

' .

где ? - коэффициент трения.

Таким образом, исследования показывают, что наиболее целесообразным приемом снижения тягового сопротивления, энергоемкости и улучшения качества работы машины для обработки почвы следует считать использование эффекта колебаний рабочего органа. При этом полученное дифференциальное уравнение (2) позволяет рассмотреть процесс возвратно-вращательного движения рабочего органа, которое способствует снижению энергоемкости процесса обработки почвы и улучшению его качества, определить угол поворота рабочего органа в зависимости от времени движения и формы рабочих поверхностей лопаток. А при соблюдении условий (10) и (11) предлагаемый дисковый рабочий орган будет совершать возвратно-вращательное движение [11].

Список литературы

1. Романенко, В. А. Сельскохозяйственные машины: учебное пособие / В. А. романенко, Е. И. Трубилин, И. Б. Фурсов, С. К. Папуша, А. А. Романенко, А. С. Брусен-цов, В. В. Кравченко, В. А. Миронов, В. И. Коновалов, С. В. Белоусов. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - 212 с.

2. Трубилин, Е. И. Дисковые бороны и лущильники в системе основной и предпосевной обработки почвы. Проблемы и пути их решения [Электронный ресурс] / Е. И. Трубилин, К. А. Сохт, В. И. Коновалов, С. В. Белоусов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. -

2013. - №04(088). - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/45.pdf.

3. Трубилин, Е. И. Рабочие органы дисковых борон и лущильников [Электронный ресурс] / Е. И. Трубилин, К. А. сохт, В. И. Коновалов, О. В. Данюкова // Научный журнал КубГАУ. - 2013. - № 91 (07). - Режим доступа: http: ej.kubagro. ru/2013/07/pdf/95.pdf.

4. Сахапов, Р. Л. Механико-технологическое обоснование параметров ресурсосберегающих культиваторов: дис. ...д-ра техн. наук : 05.20.01 / Сахапов Рустэм Лукма-нович. - Казань, 2002. - 381 с.

5. Трубилин, Е. И. Ротационные дисковые рабочие органы - как базовый элемент в комбинированных агрегатах для обработки почвы и посева [Электронный ресурс] / Е. И. Трубилин, К. А. сохт, В. И. Коновалов, О. В. Данюкова // Научный журнал КубГАУ. - 2013. - № 91 (07). - Режим доступа^: ej.kubagro. ru/2013/07/pdf/101.pdf.

6. Пат. 2275782 Российская Федерация, МПК А01С 7/00 А01В 49/06. Устройство для посева семян зерновых культур [Текст] / Медовник А. Н., Маслов Г. Г., Тарасенко Б. Ф., Чеботарев М. И., Бугаев С. В., Дробот В. А.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный аграрный университет. - № 2004133161/12; заявл. 12. 11. 2004; опубл. 10. 05. 2006, Бюл. № 13.

7. Дробот, В. А. Оптимизация параметров процесса поверхностной обработки почвы горизонтально расположенными дисковыми рабочими органами / В. А. Дробот, В. В. Цыбулевский // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Вып. 2 (23).-Краснодар: КубГАУ. - 2010. - С. 181-185.

8. Дробот, В. А. Новая полевая установка для динамометрирования и результаты оценки тяговых сопротивлений почвообрабатывающего рабочего органа / В. А. Дробот, Б. Ф. Тарасенко // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. - №12. - С. 10-12.

9. Дробот, В. А. Горизонтальный дисковый рабочий орган / Е. И. Трубилин, В. А. Дробот, А. С. Брусенцов // Сельский механизатор. - 2014. - № 11. - С. 22-23.

10. Гячев, Л. В. Теория лемешно - отвальной поверхности / Л. В. Гячев. - Зерно-град, 1961. - 317 с.

11. Горячкин, В. П. Собрание сочнинений: в 3 т. / В. П. Горячкин; под ред. действ. чл. ВАСХНИЛ проф. д-ра с.-х. наук Н. Д. Лучинского. - 2-е изд. - М.: «Колос», 1968. -455 с.

References

1. Romanenko, V. A. Sel'skohozjajstvennye mashiny: uchebnoe posobie / V. A. ro-manenko, E. I. Trubilin, I. B. Fursov, S. K. Papusha, A. A. Romanenko, A. S. Brusen-cov, V. V. Kravchenko, V. A. Mironov, V. I. Konovalov, S. V. Belousov. - Krasnodar: KubGAU,

2014. - 212 s.

2. Trubilin, E. I. Diskovye borony i lushhil'niki v sisteme osnovnoj i predposevnoj ob-rabotki pochvy. Problemy i puti ih reshenija [Jelektronnyj resurs] / E. I. Trubilin, K. A. Soht,

V. I. Konovalov, S. V. Belousov // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - №04(088). - Rezhim dos-tupa: http:ej .kubagro.ru/2013/04/pdf/45.pdf.

3. Trubilin, E. I. Rabochie organy diskovyh boron i lushhil'nikov [Jelektronnyj resurs] / E. I. Trubilin, K. A. soht, V. I. Konovalov, O. V. Danjukova // Nauchnyj zhurnal KubGAU. -2013. - № 91 (07). - Rezhim dostupa:http: ej.kubagro. ru/2013/07/pdf/95.pdf.

4. Sahapov, R. L. Mehaniko-tehnologicheskoe obosnovanie parametrov resursos-beregajushhih kul'tivatorov: dis. ...d-ra tehn. nauk : 05.20.01 / Sahapov Rustjem Lukma-novich. - Kazan', 2002. - 381 s.

5. Trubilin, E. I. Rotacionnye diskovye rabochie organy - kak bazovyj jelement v kom-binirovannyh agregatah dlja obrabotki pochvy i poseva [Jelektronnyj resurs] / E. I. Trubilin, K. A. soht, V. I. Konovalov, O. V. Danjukova // Nauchnyj zhurnal KubGAU. - 2013. - № 91 (07). - Rezhim dostupa:http: ej.kubagro. ru/2013/07/pdf/101.pdf.

6. Pat. 2275782 Rossijskaja Federacija, MPK A01S 7/00 A01V 49/06. Ustrojstvo dlja poseva semjan zernovyh kul'tur [Tekst] / Medovnik A. N., Maslov G. G., Tarasenko B. F., Chebotarev M. I., Bugaev S. V., Drobot V. A.; zajavitel' i patentoobladatel' Ku-banskij gosu-darstvennyj agrarnyj universitet. - № 2004133161/12; zajavl. 12. 11. 2004; opubl. 10. 05. 2006, Bjul. № 13.

7. Drobot, V. A. Optimizacija parametrov processa poverhnostnoj obrabotki pochvy go-rizontal'no raspolozhennymi diskovymi rabochimi organami / V. A. Drobot, V. V. Cy-bulevskij // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. Vyp. 2 (23).-Krasnodar: KubGAU. - 2010. - S. 181-185.

8. Drobot, V. A. Novaja polevaja ustanovka dlja dinamometrirovanija i rezul'taty ocenki tjagovyh soprotivlenij pochvoobrabatyvajushhego rabochego organa / V. A. Drobot, B. F. Tarasenko // Traktory i sel'hozmashiny. - 2014. - №12. - S. 10-12.

9. Drobot, V. A. Gorizontal'nyj diskovyj rabochij organ / E. I. Trubilin, V. A. Drobot, A. S. Brusencov // Sel'skij mehanizator. - 2014. - № 11. - S. 22-23.

10. Gjachev, L. V. Teorija lemeshno - otval'noj poverhnosti / L. V. Gjachev. - Zerno-grad, 1961. - 317 s.

11. Gorjachkin, V. P. Sobranie sochninenij: v 3 t. / V. P. Gorjachkin; pod red. dejstv. chl. VASHNIL prof. d-ra s.-h. nauk N. D. Luchinskogo. - 2-e izd. - M.: «Kolos», 1968. - 455 s.