Влияние продольных размеров парового культиватора на показатели копирования рельефа поля

УДК 631.316

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ПАРОВОГО КУЛЬТИВАТОРА НА ПОКАЗАТЕЛИ КОПИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ПОЛЯ

© 2016 г. А.Ю. Несмиян

Культиваторы для сплошной обработки почвы получили широкое распространение в сельскохозяйственном производстве. Конструкция их основных узлов имеет глубокое теоретическое обоснование, однако, методика расчета параметров прицепного устройства обоснована слабо и сводится к рекомендации отношения рабочей ширины культиватора к его кинематической длине. Считается, что рост длины орудия способствует повышению его динамической устойчивости. Влиянием данного параметра на другие показатели работы агрегата чаще всего пренебрегают. Целью исследования является выявление закономерности влияния продольного размера парового культиватора на его способность к копированию рельефа поля в направлении движения агрегата. Проведен анализ влияния продольных параметров культиватора на возможное взаимное перемещение прицепной серьги культиватора и прицепного устройства трактора с учетом параметров рельефа поля. Выявлены зависимости для расчета вероятности нарушения приемлемого взаимного расположения орудия и трактора, которое будет провоцировать снижение качества процесса обработки почвы. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что увеличение длины прицепной сницы культиватора приводит к росту вероятности нарушения качества технологического процесса, обусловленного несоответствием параметров орудия рельефу поля. При этом критическая длина культиватора в значительной степени определяется параметрами рельефа поля - чем меньше длина волны колебаний поверхности рельефа, тем короче должна быть длина прицепного устройства культиватора. В целом установлено, что уменьшение длины прицепной сницы культиватора позволяет повысить его способность к копированию продольного рельефа поверхности поля, снизить вероятность нарушения требований по равномерности глубины обработки почвы, что необходимо учитывать при проектировании прицепных почвообрабатывающих орудий.

Ключевые слова: культиватор, прицепное устройство, кинематическая длина, динамическая устойчивость, теоретическое исследование, копирование, направление движения агрегата, рельеф поверхности поля, эффективность обработки почвы, проектирование.

Cultivator for continuous tillage are widely used in agricultural production. The design of their basic units has profound theoretical basis, however, the method of calculating the parameters of the hitch proved is weak and reduces to the recommendations of ratio of the cultivator working width to its cinematic length. It is considered that the increase in tools length improves its dynamic stability. The influence of this parameter on the other indicators of the aggregate operation are most often neglected. The purpose of the research is to identify influence regularities of the longitudinal dimension of the steam cultivator on its ability to copy field contour in the direction of aggregate movement. The paper analyzes the influence of the longitudinal cultivator parameters on possible relative movement of trailed cultivator earring and trailed tractor unit, taking into account the field topography parameters. There were detected the dependences for calculating the probability of violating acceptable reciprocal arrangement of implements and tractors, which will provoke decline in the quality of soil processing. Analysis of the obtained results al-

lowed to conclude that increase in the length of the trailed cultivator draft frame leads to an increase in the probability of violating quality of the technological process, due to the mismatch of the tools parameters and field relief. The critical cultivator length is largely determined by parameters of field relief - the shorter the wavelength oscillation of the surface relief causes the shorter length of the trailed cultivator device. In general, there was determined that reduction in the length of the trailed cultivator draft frame enhances its ability to copy a longitudinal relief of the field surface, reduces the probability of violating requirements for the tillage depth uniformity that must be considered when designing trailed tillers.

Keywords: cultivator, tow hitch, kinematic length, dynamic stability, theoretical research, copy, direction of the machine movement, relief of the field surface, the effectiveness of tillage, designing.

Введение. Обработка почвы оказывает существенное влияние на структуру и водо-воздушный баланс почв [1-4]. Анализ показателей работы почвообрабатывающих технических средств позволил установить, что в сравнении с дисковыми или комбинированными орудиями культиваторы обеспечивают наибольшую производительность при низком удельном расходе топлива, более высокую степень уничтожения сорняков, снижение гребнистости поверхности поля и отклонения от заданной глубины обработки [5]. Благодаря этому культиваторы для сплошной обработки почвы (паровые культиваторы) получили широкое распространение в сельскохозяйственном производстве [6]. Конструкция их основных узлов имеет достаточно глубокое теоретическое обоснование, однако методика выбора параметров прицепного устройства обоснована довольно слабо и традиционно сводится к рекомендации отношения рабочей ширины культиватора к его кинематической длине. Считается, что рост кинематической длины орудия за счет увеличения длины ¿п прицепной сницы культиватора способствует повышению его динамической устойчивости, при этом влиянием данного параметра на другие показатели работы культиваторного агрегата чаще всего пренебрегают [7].

Целью представленного исследования является выявление закономерности влияния продольного размера парового культиватора на его способность к копиро-

ванию рельефа поля в направлении движения агрегата.

Материалы и методы исследования. Пространственная структура поверхности поля обусловлена особенностями геологического строения рельефа и характеризуется такими показателями, как длина Ь и амплитуда А волны (рисунок 1), угол склона, коэффициент выраженности и др. При этом, поскольку параметры макро- и нанорельефов поверхности поля несопоставимы с габаритными размерами орудия и расстояниями между его опорами, наибольшее влияние на положение прицепной серьги культиватора оказывают характеристики мезо- и микрорельефа поверхности поля [8].

При работе культиваторного агрегата прицепное устройство трактора может перемещаться по вертикали в диапазоне от —тт до —тах (рисунок 1), например, от 230 до 660 мм от поверхности поля для тракторов третьего тягового класса [9]. Одновременно с этим расположение прицепной серьги культиватора будет зависеть от положения опор культиватора (в предположении, что они не отрываются от поверхности поля), а также его длины и гипотетически может выходить за зону, ограниченную возможными верхними и нижними положениями тракторного прицепного устройства (положение Б на рисунке 1). Это будет приводить к нарушению условия приемлемого взаимного расположения орудия и трактора, провоцируя снижение качества процесса обработки почвы.

Рисунок 1 - Схема перемещения культиватора по поверхности поля с учетом его продольного рельефа

Рассмотрим траекторию движения прицепной серьги культиватора при копировании рельефа поверхности поля. Поскольку углы локальных склонов поверхности поля малы (ас = 1,5-4,50), для упрощения расчетов принимаем поверхность

склонов не синусоидальной, а прямолинейной (рисунок 2), при этом считаем, что все его опоры в любой момент времени не отрываются от поверхности поля. Пройденный культиватором путь можно разбить на отдельные участки.

1к - длина культиватора, м; 1о - линейное расстояние между передней и задней опорами культиватора, м; ^ - высота расположения рамы культиватора в рабочем положении

над поверхностью поля Рисунок 2 - Схема копирования рельефа поля культиватором с жесткой фиксацией прицепной сницы

На участке 1-2 горизонтальная координата Х принимает значение:

рии движения прицепного устройства трактора:

^ соэа < Х12 < 0,5 • Ь.

2Н12(Х) = Х12&«С + 2тп ,

Вертикальная координата прицепной серьги культиватора:

2С12

Нижнее 2Н (X) и верхнее 2В (X) значение координат по вертикали траекто-

2В12(Х) = Х12Шао + 2тах

На участке 2-3:

0,5 • Ь < Х23 < 0,5 • Ь +

2С23

7 н 23 (X) = (Ь - X2з)^с + 7 _

7д2з(X) = (Ь - X2з)tgac + 7тах

На участке 3-4:

0,5• Ь + (1к -10)ео8а< X34 < 0,5• Ь + 1к oosaí

7с 34( X) = 0,5Ь%ас +

(1к - К )§1п «с + К

X

С0Б СГ

-

На участке 4-5

На участке 5-6

На участке 6-7

7н 34( X) = (Ь - XзA)tgac + 7^ 7Вз4(X) = (Ь - Xз4)tgac + 7тах.

0,5 • Ь + 1к соБ а < X45 < Ь,

7с45(X) = (Ь - X45)tgac + К / ^ ас

7Н45(X) = (Ь - X45>£ас + 7т1п , 7,45(X) = (Ь - X45)/^ + 7тах .

Ь < X56 < Ь + (к - К )С0Б«с , 7С56(^ = (Ь - X56)tgac + К /с0Бас ,

7н5б(X) = (X56 - Ь)^ + 7т1п , 7,56(X) = (X56 - Ь)^ + 7тах .

Ь + (4 - 1о)с08«с < x6^ < Ь + К соб«с ,

л

7С67 (X) = (/о - 4 ) 81П «с + К / С08 «с - (2 у - 1)(X67 - Ь - (4 - 1о ) С08 «с ^«с

7н67 (X) = (X67 - Ь)^ + 7тт 7В67(X) = (X67 - Ь^ + 7

с тах *

Из данных, представленных на рисунке 2, видно, что условие рационального расположения прицепной серьги культиватора может нарушаться на участках 2-3, 3-4, 5-6 и 6-7 в том случае, если возникают условия, описываемые неравенствами:

7С2з(X) > 7В2з(X) , 7Сз4(X) > 7Вз4(X) ,

7с56(X) < 7н56(X) ,

11) 12)

13)

14)

15)

16)

17)

18)

19)

20)

21) 22)

23)

24)

25)

26)

27)

ZC67(X) < ZН67 (X) •

Критические значения Х23 , Х34 , Х56кр и Х67кр, характеризующие диапазо-

ны выполнения условий (25-28), могут быть определены с использованием уравнений:

L  tgac -

К

+ Z„

у —

Х 23кр

c max

cosa

2tgc

h

_ cosac

X 34кр —

h_L l

* - 2lk sin ac tgac + 2 V sin ac - Ltgac - Zmax

cc o lo

l2

1

2tgac

lo

Y —

X 56кр

h

2Ltgac--k--Z mn

cosa

2tgac

X

h l

hklo , o/2 ____ , Oí , OÍ2

cosa

+ 21] sin ac + 2lkLtgac + 21¡ sin ac - 4lklo sin a - Zmn/o

67 кр

2lktgac

Диапазоны горизонтального переме- дит выход прицепной серьги за границы щения культиватора, в которых происхо- рациональной зоны:

ДХ24 - X34кр - X23кр И ДХ57 — Х67кр - X56кр •

При этом доля критических участков при выполнении технологического процесса

§ _ АХ„ + АХ.,

L

Вероятность нарушения качества выполнения технологического процесса, обусловленная несоответствием параметров культиватора рельефу поля:

Результаты и их обсуждение. На

рисунке 3 приведены расчетные зависимости показателя 3 от длины культиватора 1к при линейном расстоянии между передними опорными колесами и планчатыми катками культиватора (передняя и задняя опоры) 10 ~ 3,70 м и высоте расположения рамы орудия над поверхностью поля в работе Ик ~ 0,45 м.

Рнтп — 0 при 8 < 0,

Рнтп — АХ 24 +АХ 57 при S> 0 .

при L—5r0 м и A=0,2 ы

при 1=8,5 м иA^ i,2 м '

— *

/1 . 1 xT rtpn ¿=12,0 м i,2 м

б:0 /к*р1 го 8Г0 9Г0 1К!К

Рисунок 3 - Доля критических участков, на которых возможно нарушение качества технологического процесса, обусловленное несоответствием параметров культиватора рельефу поля

Анализ графиков, представленных на рисунке 3, с учетом выражений (34) и (35) позволяет констатировать, что увеличение продольного размера культиватора, за счет приращения длины его прицепной сницы, приводит к росту вероятности нарушения качества технологического процесса, обусловленного несоответствием параметров орудия рельефу поля.

Заключение. Продольный размер парового культиватора оказывает существенное влияние на его способность к копированию пространственной структуры поверхности поля в направлении движения агрегата. Критическая длина культиватора (при постоянном расстоянии между его передними и задними опорами) в значительной степени должна определяться параметрами рельефа поля - чем меньше длина волны колебаний поверхности рельефа (при постоянном значении высоты отклонения от базовой линии), тем короче должна быть длина прицепного устройства культиватора. Так, например, при величине углов локальных склонов менее одного градуса, кинематическая длина культиватора может составлять 9 и более метров,

1 т0

при углах локальных склонов около 1,3 кинематическая длина орудий должна быть не более 7,7 м, а при углах склонов около 2,30 не должна превышать 6,3 м, что необходимо учитывать при проектировании

данных орудий. В целом уменьшение длины прицепной сницы культиватора позволяет повысить его способность к копированию поверхности поля в продольном направлении, снизить вероятность нарушения требований по равномерности глубины обработки почвы.

Литература

1. Buczko, U. Tillage effects on hydraulic properties and macroporosity in silty and sandy soils / U. Buczko; O. Bens, R.F. Huttl // Soil Science Society of American Journal. -2006. - № 70. - Р. 1998-2007.

2. Хижняк, В.И. Современный культиватор для сплошной обработки почвы / В.И. Хижняк, А.Ю. Несмиян // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сборник научных статей / Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь: АГРУС, 2011. - С. 216-220.

3. Lipiec, J. Soil porosity and water infiltration as influenced by tillage method / J. Lipiec, J. Kus, A. Slowinska-Jurkiewicz, A. Nosalewicz // Soil & Tillage Research. -2006. - № 89. - Р. 210-220.

4. McGarry, D. Contrasting soil physical properties after zero and traditional tillage of an alluvial soil in the semi-arid subtropics / D. McGarry, B.J. Bridge, B.J. Radford // Soil

& Tillage Research. - 2000. - № 53. -Р. 105-115.

5. Сравнительные характеристики орудий для поверхностной обработки почвы / А.Ю. Несмиян, М.Г. Кобец, В.В. Дол-жиков, С.А. Гладкий // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. - № 3. - С. 23-25.

6. Несмиян, А.Ю. Обзор культиваторов для сплошной обработки почвы и тенденции их производства / А.Ю. Несмиян, В.В. Должиков // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. - № 4. - С. 6-9.

7. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин в 2 т. / под ред. А.В. Красниченко. - Москва: ВИСХОМ, 1961. - 863 с.

8. Беспамятнова, Н.М. Научно-методические основы адаптации почвообрабатывающих и посевных машин / Н.М. Беспамятнова. - Ростов-на-Дону: ООО «Тер-ра»; НПК «Гефест», 2002. - 176 с.

9. ГОСТ 10677-2001 Устройство навесное заднее сельскохозяйственных тракторов 0,6-8. Типы, основные параметры и размеры. Межгосударственный стандарт. - Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001. - 7 с.

References

1. Buczko U., Bens O. & Huttl R.F. Tillage effects on hydraulic properties and macroporosity in silty and sandy soils. Soil Science Society of American Journal, 2006, No 70, pp. 1998-2007.

2. Hizhnyak V.I., Nesmiyan A.Yu. Sov-remennyj kul'tivator dlya sploshnoy obrabotki pochvy [The modern cultivator for continuous tillage], Aktual'nye problemy nauchno-tekhnicheskogo progressa v APK: sbornik nauchnyh statej, Stavropol'skij gosudarstven-

nyj agrarnyj universitet, Stavropol', AGRUS, 2011, pp. 216-220.

3. Lipiec J., Kus J., Slowinska-Jurkiewicz A. & Nosalewicz A. Soil porosity and water infiltration as influenced by tillage methods, Soil & Tillage Research, 2006, No 89, pp. 210-220.

4. McGarry D., Bridge B.J. & Radford B.J. Contrasting soil physical properties after zero and traditional tillage of an alluvial soil in the semi-arid subtropics, Soil & Tillage Research, 2000, No 53, pp. 105-115.

5. Nesmiyan A.Yu., Kobec M.G., Dolzhikov V.V., Gladkiy S.A. Sravnitel'nye harakteristiki orudij dlya poverhnostnoj obrabotki pochvy [Comparative characteristics of tools for surface tillage], Traktory i sel'hozmashiny, 2014, No 3, pp. 23-25.

6. Nesmiyan A.Yu., Dolzhikov V.V. Obzor kul'tivatorov dlya sploshnoj obrabotki pochvy i tendencii ih proizvodstva [Browse of cultivators for continuous tillage and trends of their production], Traktory i sel'hozmashiny, 2013, No 4, pp. 6-9.

7. Krasnichenko A.V. Spravochnik konstruktora sel'skohozyajstvennyh mashin v dvuh tomah [The reference of designer of agricultural machinery in two volumes], Moscow, VISKHOM, 1961, 863 p.

8. Bespamyatnova N.M. Nauchno-meto-dicheskie osnovy adaptacii pochvoobraba-tyvayushchih i posevnyh mashin [The scientifically-methodical bases of adaptation of tillage and sowing machines], Rostov-on-Don, OOO «Terra», NPK «Gefest», 2002, 176 p.

9. GOST 10677-2001 Ustrojstvo navesnoe zadnee sel'skohozyajstvennyh traktorov 0,6-8. Tipy, osnovnye parametry i razmery [Attached rear device of agricultural tractors of 0.6-8 type. Types, main parameters and sizes], Mezhgosudarstvennyj standart, Minsk, Mezhgosudarstvennyj sovet po stan-dartizacii, metrologii i sertifikacii, 2001, 7 p.

Сведения об авторе

Несмиян Андрей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: nesmiyan.andrei@yandex.ru.

Information about the author

Nesmiyan Andrey Yurievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technologies and means of mechanization of agro-industrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: nesmiyan.andrei@yandex.ru.