Бионическое обоснование конструкции упругих рабочих органов культиватора-плоскореза

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 331.4

БИОНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УПРУГИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КУЛЬТИВАТОРА-ПЛОСКОРЕЗА

Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;

Соболевский И. В., кандидат технических наук, доцент

Статья раскрывает биосистемный подход к обоснованию конструкции упругих рабочих органов культиватора-плоскореза, который позволяет сохранить противоэрози-онную устойчивость почвы в верхнем обрабатываемом пласте с целью сбережения его структуры и стерневого фона при безотвальной обработке почвы в системе почвозащитного земледелия технологии «mini-till».

Ключевые слова: упругий рабочий орган, культиватор-плоскорез, биосистемный подход, экспериментальные исследования, стерневой фон.

BIONIC DESIGN JUSTIFICATION OF RESILIENT WORKING

BODIES OF THE FLAT CUT CULTIVATOR

Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;

Sobolevsky I. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

The article reveals biosystemic approach to the justification of the design of the elastic working body of the cultivator- flat cutting, which allows you to save erosion resistance of the soil at the top of the processed layer with the aim of saving the structure and stubble background in subsurface soil treatment in the system of conservation farming technology «mini-till».

Key words: elastic working body of the cultivator- flat cutting, biosystemic approach, experimental studies, stubble background.

Введение. Современное ведение сельского хозяйства в растениеводческом комплексе Республики Крым требует внедрения ресурсосберегающих эколого-щадящих технологий Mini-Till и No-Till. По этим технологиям, для защиты почвы от ветровой эрозии, применяют комплексы противоэрозионных агротехнологи-ческих мероприятий. В основе таких мероприятий заложены почвообрабатывающие комплексы для поверхностной безотвальной обработки и рыхления почвы на глубину до 16 см [1]. История развития рабочих органов почвообрабатывающих машин для поверхностной обработки почвы подтверждает, что наибольшей крошащей способностью при существенном снижении энергозатрат и надёжной самоочистке обладают пружинные вибрационные рабочие органы [2]. Такие исследования представлены в научных трудах Синеокова Г. Н., Панова И. М., Ле-

тошнева М. Н., Артоболевского И. И., Дубровина Н. Г. , Кушнарёва А. С., Мас-лова Г. Г. [2,3]. Однако при поверхностной обработке почвы, подверженной ветровой эрозии, необходимо обеспечить противоэрозионную устойчивость в верхнем обрабатываемом пласте с целью сохранения его структуры и стерневого фона. Рыхление необходимо производить в самой зоне движения плоскорежущего рабочего органа. Это обеспечит рыхлый слой для заделки семян на глубину посева. При этом будут разрушены капилляры, которые минимизируют испарение почвенной влаги. В результате обеспечиваются необходимые условия для быстрого произрастания сельскохозяйственных культур.

Цель и задачи исследований: Повышение качества противоэрозионной обработки почвы и снижение энергозатрат путем бионического обоснования параметров и создания конструкции упругого рабочего органа культиватора-плоскореза. В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- уточнить агротехнические требования к противоэрозионной обработке почвы;

- по бионическому подобию обосновать конструкцию упругого рабочего органа культиватора-плоскореза;

- экспериментально определить качество выполнения технологического процесса опытным образцом упругого рабочего органа культиватора-плоскореза в почвенном канале.

Материал и методы исследований. Объектом исследований является технологический процесс минимальной обработки почвы и упругие рабочие органы культиватора-плоскореза, которые разработаны по бионическому подобию. Поставленные задачи решались методами теории колебаний, классической механики, моделирования, математической статистики, лабораторных исследований. Лабораторные исследования проводились методом сравнительных опытов на специально подготовленной установке почвенного канала с планированием многофакторного эксперимента.

Результаты и обсуждение. В соответствии с технологиями возделывания сельскохозяйственных культур Mini-Till и No-Till необходимо обрабатывать почву на глубину до 5...7 см, что обеспечит сохранение естественных дренов, которые образуются за счёт канальцев, сформированных дождевыми червями и разлагающихся останков корневой системы растений. Эта система «естественных дрен и канальцев» формирует рыхлую почву на большую глубину, чем при использовании пахотной системы обработки почвы. Предложенная система ускоряет процессы разложения пожнивных остатков, не допускает повышения кислотности. Для сохранения стерни и задержания влаги необходимо использовать безотвальную обработку почвы.

С целью улучшения качества обработки почвы для технологий возделывания сельскохозяйственных культур Mini-Till и No-Till предложена конструкция упругого рабочего органа культиватора-плоскореза. Биологическим прототипом данной конструкции является скат-рогач «Манта» (Manta birostris) [3,4].

Лобовая форма поверхности ската-рогача, описываемая уравнением логарифмической кривой, обеспечивает равномерное распределение давления по всей ширине лобовой поверхности. Для устойчивости движения на лобовой поверхности скат-рогач имеет два выпуклых рога.

Проанализировав строение и принцип работы ската-рогача, была разработана конструкция предлагаемого культиватора-плоскореза. Конструктивная схема упругого рабочего органа культиватора-плоскореза по бионическому подобию содержит раму 1 с присоединёнными, посредством Г-образных хомутов 2 и стяжных болтов 3, $-образных пружинных стоек 4 (рис. 1) с плоскорежущими рабочими органами 5, выполненными по форме лобовой поверхности ската-рогача.

%

Рисунок 1. Упругий рабочий орган культиватора-плоскореза

На S-образных пружинных стойках 4 установлены упругие пластины 6, которые соединены с втулками 7 посредством нижних (рис. 2) и верхних болтов 8, 9. Втулки 7 имеют внутри резьбу для шарнирного соединения горизонтально расположенных болтов 10 с проушинами 11 фиксирующих пластин 12, имеющих болтовое соединение 13 с прижимными пластинами 14 (рис. 3).

На Г-образных хомутах 2 посредством стяжных болтов 3 (рис. 3) установлены уголки 15 в которых, с помощью болтового соединения 16, установлены ограничители колебаний 17 с отверстиями 18. Верхние болты 9 имеют полусферические головки 19 с регулирующими гайками 20.

Плоскорежущие рабочие органы 5 (рис. 3) имеют по две L-образные стойки 21 (рис. 1) соединяющиеся посредством вертикально расположенных заклёпок 22 со средним ножом 23 и посредством горизонтально расположенных заклёпок 24 с боковыми ножами 25. Соединительные элементы 26 L-образных стоек 21 выпол-

нены в форме долот, под которыми имеются прямоугольные пазы 27 (рис. 2) для фиксации болтовых соединений 28 S-образных пружинных стоек 4.

Рисунок 2. Упругий рабочий орган культиватора-плоскореза

При обработке почвы предлагаемым культиватором на его S-образные пружинные стойки 4 с плоскорежущими рабочими органами 5 действует переменная сила сопротивления почвы Р, которая зависит от её физико-механических свойств и глубины обработки (рис.3). Плоскорежущие рабочие органы 5 на S-образных пружинных стойках 4 совершают колебательные движения за счёт неравномерного характера разрушения почвы при её рыхлении. Верхние и нижние части витков S-образных пружинных стоек 4, как упругие элементы, начинают прогибаться в направлении противоположном движению рабочих органов 5. При малом сопротивлении почвы, в результате прогиба, верхние части витков S-образных пружинных стоек 4 начнут соприкасаться с ограничителями колебаний 17 со сменными отверстиями 18, позволяющими переустанавливать ограничители колебаний 17 при их интенсивном износе, что увеличит их срок эксплуатации. При этом возникают ударные импульсы в верхних частях витков, за счёт их взаимодействия с кромками ограничителей 17, которые переходят по стойкам 4 к рабочим органам 5, что создаёт эффект их самоочищения от налипшей почвы.

С увеличением сопротивления почвы возникает прогиб нижней части витков стойки 5. Стабилизацию жёсткости (её увеличение) нижней части витков стойки 5 начинают обеспечивать установлены упругие пластины 6 соединённые с втулками 7 посредством нижних 8 и верхних 9 болтов. Шарнирное соединение горизонтально расположенных болтов 10 с проушинами 11 фиксирующими пласти-

нами 12, имеющими болтовое соединение 13 с прижимными пластинами втулок 7 имеющих внутри резьбу дают возможность жёстко фиксировать упругие пластины 6 в любых точках поверхности $-образных пружинных стоек 4, что приводит к изменению жёсткости всей конструкции $-образных пружинных стоек 4. Возникающие малые колебания между жёстко зафиксированными упругими пластинами 6 и верхней части витков стойки 5 ограничиваются верхними болтами 9 имеющими полусферические головки 19 с регулирующими гайками 20. Между полусферическими головками 19 и верхней частью витков стойки 5 возникают ударные импульсы, которые совместно с ударными импульсами, возникающими между ограничителями 17 и верхней частью витков стойки 5 усиливают эффект самоочищения и снижения силы сопротивления почвы Р, при движении рабочего органа 5, за счёт увеличения частоты и малой амплитуды его колебаний в почве.

Рисунок 3. Упругий рабочий орган культиватора-плоскореза

При потере работоспособности на рабочем органе 5 среднего ножа 23, либо боковых ножей 25, замена осуществляется не установкой нового рабочего органа 5, а лишь демонтажем с двух L-образных стоек 21 вертикально расположенных заклёпок 22 для замены среднего ножа 23 или горизонтально расположенных заклёпок 24 для замены боковых ножей 25, с последующим монтажом новых заклёпок и ножей. Это даёт возможность увеличить эксплуатационную надежность всего рабочего органа 5 [5,6].

12 " 13

5

р

Если при встрече с препятствием рабочего органа 5 посредством среднего ножа 23 или двух боковых ножей 25 значительная деформация, которая может произойти в зоне болтовых соединений 28 S-образных пружинных стоек 4 будет минимальна, за счёт наличия на рабочем органе 5 соединительных элементов 26 L-образных стоек 21 выполненных в форме долот под которыми имеются прямоугольные пазы 27, которые дают возможность жёстко фиксировать S-образные пружинные стойки 4. Изгибающий момент, возникающий в зоне препятствия на ближайшей из стоек 4 воспринимают, сразу обе стойки 4. Возникает прогиб нижней части витков в сторону рамы 1 у обоих стоек 5 и их упругих пластин 6, что приводит к приподнятию и обходу рабочим органом 5 возникшего перед ним препятствия. В результате сохраняется целостность конструкции и соблюдается требуемая геометрия резания пласта почвы при её последующей культивации.

Показатели работы данной конструкторской разработки подтверждаются лабораторными исследованиями, проведёнными в почвенном канале Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Основными не варьируемыми параметрами были: влажность почвы Ж в канале, которая находилась в пределах 14...19%; твердость р - 140...220 Н/см2; деформационный показатель почвы V - 1,73-107.. ,2,75-10-7 Н/м2.

При проведении экспериментов исследовалось взаимодействие упругого рабочего органа культиватора-плоскореза с почвой. Зависимость тягового сопротивления упругого рабочего органа культиватора-плоскореза от глубины обработки при различной скорости движения приведена на рис 4.

Из графика (рис. 4) видно, что с увеличением глубины обработки почвы тяговое сопротивление увеличивается по линейному закону.

График показывает также, что кривая зависимости «тяговое сопротивление - глубина обработки» близка к прямой, поэтому её можно аппроксимировать линейной функцией. Методом наименьших квадратов определены коэффициенты, в статистических оценках: а = 45,844, Ь = 570,32 (для скорости движения 1,5 м/с) (рис. 4).

Окончательно эмпирическая зависимость имеет вид:

р = 45,844h + 570,32,

где Р - тяговое сопротивление, Н;

Н - глубина рыхления почвы упругим рабочим органом культиватора-плоскореза, см.

При этом достоверность аппроксимации оценивается коэффициентом детерминированности модели = 0,9934 (для скорости движения 1,5 м/с).

Как видно из графика (рис. 4), наименьшее тяговое сопротивление упругого рабочего органа культиватора-плоскореза было получено при глубине обработки 4 см и скорости 1,5 м/с, что соответствует 5,4 км/ч. Это является рациональным значением глубины рыхления для безотвальной обработки почвы с удельным сопротивлением до 9 Н/м2, максимальным сохранением стерни и

других пожнивных остатков при защите почвы от водной и ветровой эрозии в использовании технологии «mini-till».

Глубина обработки, см Рисунок 4. Зависимость тягового сопротивления упругого рабочего органа культиватора-плоскореза от глубины обработки почвы при скоростях движения

0,5 м/с, 1 м/с и 1,5 м/с

При оценке качества обработки почвы получены следующие результаты. Перемещаясь в почве, упругие рабочие органы создают колебательно-ударный эффект, который образует большое количество плоскостей скалывания почвы (рис.5, б), а также улучшает самоочищение рабочих поверхностей ножа. Режущая кромка ножа образует форму логарифмической кривой, что является достаточным для первичной деформации почвы и обеспечивает минимальное сопротивление при рыхлении.

аб Рисунок 5. Экспериментальные исследования упругого рабочего органа культиватора-плоскореза КПП-3 в почвенном канале: а - замер неравномерности глубины хода и гребнистости почвы

Средняя глубина рыхления находится в пределах заданной - 10 см, при высоком коэффициенте равномерности рыхления - 94,8%. Среднее квадратиче-ское отклонение не превышает нормы (±1 см). Высота гребней соответствует агротехническим требованиям до 3 см (рис. 6) с хорошим качеством крошения «подстерневого» пласта на всю ширину захвата. Не увеличивается содержание эрозионно-опасных частиц, что соответствует агротехническим требованиям. При глубине обработки 4 см сохранение стерни 75,8% и высота гребней 3,5 см.

При увеличении глубины обработки повысилось сохранение стерни до 88,7%, а высота гребней уменьшилась до 2,8 см. Почвенная корка разрушена в зонах, где были проходы упругих стоек, при этом распыление почвенных агрегатов было минимальным.

Рисунок 6. Срез обработанного почвенного пласта упругим рабочим органом культиватора-плоскореза на глубине рыхления 16 см

В сравнении с аналогом - рабочим органом культиватора-плоскореза КПГ-3 на глубине 16 см и средней скорости движения 5,4 км/ч упругий рабочий орган культиватора-плоскореза КПП-3 обеспечивает снижение тягового сопротивления почвы в 1,7-1,8 раз [7].

Выводы. Применение биосистемного подхода в системе ресурсосберегающего земледелия для создания новых типов рабочих органов машин применяемых при поверхностной обработке почвы позволило разработать конструктивные элементы упругих рабочих органов культиватора-плоскореза КПП-3 по прототипу лобовой поверхности ската-рогача. Использование нового типа упругих рабочих органов, разработанных по бионическому подобию, позволит снизить тяговое сопротивление и сохранить стерневой фон с низкой гребни-стостью для противоэрозионной устойчивости почвы в технологии «mini-till».

Список использованных источников:

1. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Обоснование параметров плоскорежущего рабочего органа по бионическому подобию // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. - Технические науки. Вып. 40. -Симферополь: НИЦ КИПУ, 2013. -С. 94-98.

2. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Основы бионических исследований: учебник // Симферополь: 1111 «Антиква», 2014. - 328 с.

3. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Бионическое обоснование путей совершенствования сельскохозяйственных машин на основе коэффициента адаптационной наработки // Науковi пращ Ивденного фшалу Нацюналь-ного ушверситету бiоресурсiв i приро-докористування Украши «Кримський агротехнолопчний утверситет». - Тех-нiчнi науки. Випуск 162. - ^м-ферополь: ВД «АР1АЛ», 2014. -С. 197-205.

4. Соболевский И. В., Бабицкий Л. Ф. Обоснование параметров рабочих органов культиватора по бионическому подобию// Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. - Технические науки. Вып. 46. - Симферополь: НИЦ КИПУ, 2014. - С. 82-86.

5. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Разработка комплекса почвообрабатывающих рабочих органов на основе бионики для экологического земледелия // Международный форум «Крым №-ТеЛ - 2014». Сборник тезисов докладов. - М.: Министерство образования и науки Российской Федерации, 2014. - С.106-108.

References:

1. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. Substantiation of parameters of flat-cutting working body in the likeness of the bionic // scientific notes of the Crimean engineering and pedagogical University. - Technical Sciences. Vol. 40. - Simferopol: SIC CEPU, 2013. -P. 94-98.

2. Babitsky L. F., Moskalewicz Y. V., Sobolevsky I. V. fundamentals of bionic research: textbook // Simferopol: PE «Antiqua», 2014. - 328 p.

3. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. Bionic substantiation of ways of improvement of agricultural machines on the basis of the coefficient adaptation practices // Pratsi Naukow Budennogo flalw National University bioresurs I prirodokoristuvannya Ukraine "Krimsky agrotechnology University". - Techno science. The issue 162. - Simferopol: WA «ARIAL», 2014. - P. 197 - 205.

4. Sobolevsky I. V., Babitsky L. F. Substantiation of parameters of working bodies of the cultivator by bionic similarity// scientific notes of the Crimean engineering and pedagogical University. - Technical Sciences. Vol. 46. - Simferopol SIC CEPU, 2014. -P. 82-86.

5. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. Development of soil-cultivating working bodies on the basis of bionics for organic agriculture // international forum «Crimea Hi-Tech - 2014». The book of abstracts. - M.: Ministry of education and science of the Russian Federation, 2014. - P. 106-108.

6. Babitsky L. F., Moskalewicz Y. V., Sobolevsky I. V. Bionico-mechanical basis of agricultural machines. Theory and

6. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Бионико-механичес-кие основы сельскохозяйственных машин. Теория и методы // Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. - 384 с.

7. Протокол испытаний № 06-392000 (1020312) Культиватор-плоскорез КПГ-3/ Кировская государственная зональная машиноиспытательная станция. - Киров: публикация протокола: 23.11.2000 [Электронный ресурс] URL: http://www. http:// sistemamis.ru/protocols/.

methods // Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. -384 p.

7. Test report number 06-39-2000 (1020312) Cultivator-flat cutting CFCS-3/ Kirov machine-state zonal station. -Kirov: publishing a Protocol: 23.11.2000 [Electronic resource] URL: http://www. http://sistemamis.ru/protocols/.

Сведения об авторах:

Бабицкий Леонид Фёдорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Соболевский Иван Витальевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского», e-mail: sobolevskii-ivan@ mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Information about the authors:

Babitsky Leonid Fedorovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.

Sobolewski Ivan Vitalievich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of mechanization and technical service in AIC of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: sobolevskii-ivan@mail.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.