Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
When solving engineering problems in soil cultivation, soil resistivity is applied. The use of solidograms is more preferable in the construction of soil-working tools and the operation of agricultural machinery. The developed technologies and instruments for continuous layerwise determination of the longitudinal hardness of the arable layer make it possible to obtain soil maps by hardness, to create a database. Factors affecting hardness variability include crop cultivation technology, row spacing, parameters, number and gauge of movers of mobile power tools and agricultural tools, the width of the technological track. The influence of the degrees of freedom of the working units on the intensity of loosening of the soil, the magnitude and nature of the change in the traction resistance, both as a separate working unit and the entire implement, is considered. A combined working unit consisting of a cutaway knife, a built-in drainer, a spring bender on a spring-loaded draft, which creates conditions for the realization of low-intensity types of deformation, the Baushinger effect is proposed. The advantage of the working unit is the continuous automatic adaptation of geometric parameters. For design and strength calculation of such working units, synthesis of elastic characteristics, it is recommended to use methods of the theory of random oscillations. The force and kinematic perturbation of the oscillations is caused by the variability of the hardness of the arable layer, the speed of movement of the working organ, the vibrorheological properties of the soil, and the parameters of the elastic characteristics of the system of springs. The rationale for the smoothing capability of the dynamical system being designed is substantiated by justifying rational design parameters, selecting the material, determining the system parameters by known characteristics at the input and output.
hardness of soils, solidgram, power and kinematic disturbance, combined soil-working unit, degree of freedom of the working unit, method of the theory of random oscillations
Характеристикой почвы, используемой при проектировании почвообрабатывающих рабочих органов, является ее удельное сопротивление. Удельное сопротивление зависит от влажности, плотности, физико-механических свойств, гранулометрического состава, содержания гумуса, является переменной величиной даже для почвы на одном поле, на одном участке. Профессор Медведев А.А.[1] полагает, что плотность сложения почвы не дает однозначного основания для оценки энергетических показателей процесса ее обработки рабочим органом почвообрабатывающего орудия. Наиболее корректным показателем прочностных свойств почвы при конструировании и эксплуатации почвообрабатывающей техники следует считать твердость почвы. Твердость как прочностной показатель должна стать важным в решении вопроса о способе и интенсивности обработки почвы. Применение твердости для вышеперечисленных целей сдерживает отсутствие базы данных. Твердограммы могут найти применение для оценки эрозионной устойчивости почв, в качестве альтернативы удельному сопротивлению, при определении несущей способности почв, проходимости машинно-тракторных агрегатов в зависимости от типа ходовой системы, при конструировании рабочих органов почвообрабатывающих машин и т.д.
Целью статьи является обоснование путей реализации параметров изменчивости твердости почв при разработке почвообрабатывающих рабочих органов.
Условия, материалы и методы исследования. Ученые Шведского университета разработали оборудование и метод непрерывного измерения продольной твердости по слоям для построения почвенных карт по твердости [11]. На участках с высокой изменчивостью плотности и твердости [2] предложено использовать твердограмму пахотного слоя для регулирования режима работы почвообрабатывающей фрезы в целях обеспечения требуемого качества рыхления почвы за один проход орудия. Шакиров Р.Р. [3] предложил использовать сигналы твердомера, установленного на переднем мосту колесного трактора, для оперативного управления подачей топлива топливным насосом. Совершенствованию метода и технических средств для горизонтального
измерения твёрдости почвы посвящены исследования [4].
Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показали, что твердость, как и прочность почвы, является непостоянной величиной даже в пределах одного участка[5]. Твердость как прочностной показатель зависит от скорости движения рабочего органа, а это в свою очередь через характер протекания диаграммы «напряжение – деформация», отражается на энергозатратах на ее обработку. Таким образом, твердограммы следует учитывать при проектировании конструкции рабочих органов, выборе рациональной скорости и глубины обработки, составлении почвообрабатывающих агрегатов.
Изменение твердости почвы имеет случайный характер как по продолжительности, так и по величине отклонения. Чем больше длина гона, представленная на твердограмме, тем больше вероятность повторения некоторых статистических закономерностей регистрированных значений твердости. Это объясняется возрастанием информативности реализации. Такое распределение зарегистрированных численных значений позволяет этот процесс признать случайным: зная характер изменения величины на пройденной длине гона нельзя предсказать его характер на оставшемся пути.
В работе [6] при определении твердости поля установлено, что с увеличением скорости движения (с 1,5 м/с до 1,96 м/с) спектры дисперсии сдвигаются в сторону увеличения частот, при которых спектральная плотность максимальна: (0,240 – 0,628) 1/с. Твердограммы получены на делянках из-под кукурузы на силос, обработанных в течение 7 последних лет на глубину 25 – 30 см: отвальным плугом (вариант А), плоскорезом (вариант Б), плоскорезом (на глубину 10-15 см) в течение 3 предыдущих лет (вариант В). Анализ полученных твердограмм показал, что изменения твердости почвы носят широкополосный характер, коэффициент вариации составил 9,1…9,8%. Процесс изменения сопротивления почвы имеет низкочастотный спектр дисперсии с частотой среза до 5,03 с-1.
Изменение твердости почвы будем рассматривать как центрированную случайную функцию с нормальным законом распределения ее численных значений [7]. На твердограмме выделяем случайные и периодические составляющие. Гармонические составляющие различны как по величине отклонения сигнала датчика твердомера, так и по частоте повторения. Через характеристики изменчивости твердости оценим вероятную амплитуду и частоту – количество отклонений величины на твердограмме, соответствующей определенной длине гона и определенной скорости. Эти величины будут приняты в качестве исходных значений для проектных расчетов рабочих органов по условиям усталостной прочности.
1. Medvedev A.A. Tverdost pochv. [Soil hardness]. / A.A. Medvedev. Kharkov: Izd-vo “Gorodskaya tipografiya”. 2009. P. - 152.
2. Davidson E.I. Tracking the unevenness of soil density. [Otslezhivanie neravnomernosti plotnosti pochvy]. / E.I. Davidson // Traktory i selskokhozyaystvennye mashiny. - Tractors and agricultural machinery. - 2007. - №4. - P. 41.
3. Shakirov R.R. Povyshenie effektivnosti funktsionirovaniya mashinno-traktornogo agregata za schet sovershenstvovaniya regulirovaniya toplivopodachi dvigatelya: avtoref. diss. … kand. tekhn. nauk: 05.20.01 (Increase of efficiency of functioning of the machine-tractor unit due to perfection of regulation of fuel supply of the engine: the author’s abstract. Dissertation for a degree of Ph.D. of Technical Sciences: 05.20.01). Saransk, - 2011. - P. 17.
4. Valiyev, A.R. The combined soil-cultivating tool [Kombinirovannoe pochvoobrabatyivayuschee orudie ] / A.R. Valiyev, P.I. Makarov, F.Sh. Timerkhanov, R.H Mardanov//Agriculture. [Zemledelie]- 2004. - No. 2. - From 42-43.
5. Vasilev S.I. Sovershenstvovanie metoda i tekhnicheskikh sredstv dlya gorizontalnogo izmereniya tvordosti pochvy pri vnedrenii tekhnologii koordinatnogo zemledeliya: avtoref. dis. kand. tekhn. nauk. 05.20.01. (Improvement of the method and technical means for the horizontal measurement of soil hardness in the introduction of the technology of coordinate agriculture: the author’s abstract of dissertation for a degree of Ph.D. of Technical Sciences. 05.20.01). Penza, 2007. - P. 20.
6. Ovsyannikov S.I. Issledovanie tverdosti i deformatsii pochvy na puti dvizheniya samokhodnykh mashin. // Aktualnye napravleniya nauchnykh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. Voronezh: Izd-vo Voronezhskogo gosudarstvennogo lesotekhnicheskogo universiteta im. G.F. Morozova. (Investigation of the hardness and deformation of soil on the path of self-propelled machines. / S.I. Ovsyannikov // Actual directions of scientific research of the XXI century: theory and practice). Voronezh: Voronezh State Forestry University named after. G.F. Morozov. - 2016. - Vol. 4 №5-3 (25-3). - P. 112-117.
7. Kushnarev A. Monitoring of soil density of arable horizon in the system of precise (managed) agriculture. [Monitoring plotnosti pochvy pakhotnogo gorizonta v sisteme tochnogo (upravlyayemogo) zemledeliya]. / A. Kushnarev, V. Kravchuk, S. Kushnarev, V. Dyuzhayev // Tekhnika i tekhnologii v APK. - Technics and technology in the agroindustrial complex. - 2010. - №9(12).- P. 12-16.
8. Kutkov G.M. Traktory i avtomobili. Teoriya i tekhnologicheskie svoystva: uchebnik. [Tractors and cars. Theory and technological properties: a textbook]. / G.M. Kutkov // M.: KolosS, 2004. - P. 498.
9. Lure A.B. Statisticheskaya dinamika selskokhozyaystvennykh agregatov. [Statistical dynamics of agricultural aggregates]. / A.B. Lur'ye // L.: Kolos, 1970. - P. 376.
10. Gureev I.I. Ecological efficiency of a soil-cultivating machines complex for mechanization of promising agricultural technologies. [Ekologicheskaya effektivnost kompleksa pochvoobrabatyvayuschikh mashin dlya mekhanizatsii perspektivnykh agrotekhnologiy]. / I.I. Gureyev // Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. - The herald of Kursk State Agricultural Academy. 2015. - №4. - P. 71-73.
11. Kazakov Yu.F. The results of the investigation of the spring bender. [Rezultaty issledovaniya pruzhinnogo krotovatelya]. / Yu.F. Kazakov, V.V. Belov, A.V. Maksimov // SPb.: Izvestiya Mezhdunarodnoy akademii agrarnogo obrazovaniya. - Izvestiya of International Academy of Agricultural Education. - 2016.- №27. - P.15-19.
12. Pat. № 2544622 (RF) MPK A01V 13/16, A01V 13/08, A01V15/00, Ye02V 11/02. Podpokrovnyy rykhlitel pochvy. (Pat. No. 2544622 (RF) IPC A01B 13/16, A01B 13/08, A01B15 / 00, E02B 11/02. Subcultivated soil ripper). // A.G. Vasilev, Yu.F. Kazakov, A.V. Maksimov. - №2014109204; applied 11.03.2014; published 20.03.15. bulletin 8.
13. Jeffery J. C. The Development of the McConnell Till aerator Design. 1984. J. of Agricultural Engineering Research 29(3) : 257-263.
14. Bolenius E., Rogstrand G., Arvidsson J., Strenberg B., Thylen L. On-the-go measurements of soil penetration resistance on a Swedish Eutric Cambisol // International Soil Tillage Research Organization 17- th Triennal Conference. Kiel. Germany, 2006. P. 867-870
