Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Samara, Russian Federation
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The purpose of the research is to increase the energy efficiency of powered tillage tool with soil spikers. A descrip-tion of the design of a new powered tillage tool with a low draught is given. The reduction of the tool's draught is achieved by transferring main share of the power consumed by it onto the technological process of loosening the soil through the shaft of the power take-off mechanism to the soil spikers, which in turn create a pushing force. Influ-ence of the design and technological parameters of soil spikers on the quality of soil pulverization and fuel con-sumption per hour during tillage have been studied. The best energy efficiency of powered tillage tool is provided by the optimal values of such factors as the interval of loosening elements disks of the 1st row (Δ1 = 75°), interval of loosening elements on the disks of the 2nd row (Δ2 = 77°) at the depth of tillage hp = 8 cm. With these values the specific energy consumption is at the level of 92 g/h%. The use of the proposed powered tool with optimal design and technological parameters of soil spikers will ensure high-quality and energy-efficient loosening of the soil by stretching with separation due to the draught reduction of the tool when transferring the main share of the power consumed by the tool onto the shaft of the power take-off mechanism to the powered revolving working bodies. The use of such a tool will make it possible to carry out early spring tillage, preserve a greater amount of yielding mois-ture and ensure farm crop increase in arid conditions of the Middle Volga region.
soil, processing, tool, disk, optimization
В растениеводстве к наиболее энергоемким операциям относят обработку почвы, на которую приходится до 40% энергетических затрат. Повышение энегроэффективности обработки почвы является одной из важных задач в повышении рентабельности и экологичности сельскохозяйственного производства [1-6]. От обработки верхнего слоя почвы зависит накопление и сохранение влаги не только в верхних, но и в более глубоких почвенных горизонтах. Установлено, что потери влаги на непродуктивное испарение могут достигать 40-70% выпадающих осадков [7-10]. В почвенно-климатических условиях засушливых регионов России технология обработки почвы должна обеспечивать минимальные потери почвенной влаги, накопленные за осенне-зимний период. В связи
с этим актуальными и значимыми являются исследования, направленные на оптимизацию технологических параметров машинотракторных агрегатов, позволяющих повысить эффективность использования энергетических ресурсов в растениеводстве и сохранить плодородие почв.
Цель исследований – повышение энергоэффективности обработки почвы тягово-приводным почвообрабатывающим орудием с дисково-игольчатыми рабочими органами.
Задача исследований – выявить оптимальные конструктивные и технологические параметры дисково-игольчатых рабочих органов; изучить влияние применения экспериментального тягово-приводного орудия на влагозапас пахотного горизонта почвы.
Материалы и методы исследований. Установлена возможность повышения энергоэффективности почвообрабатывающего агрегата за счет снижения буксования колес трактора и потерь на перекатывание агрегата, что достигается передачей части мощности через вал отбора мощности (ВОМ) на приводные дисково-игольчатые рабочие органы, которые компенсируют тяговое сопротивление орудия создаваемым толкающим усилием, снижая сопротивление на перекатывание агрегатирующего трактора и не требуя его большого тягово-сцепного веса [2, 5, 6].
Для реализации этой возможности разработано тягово-приводное почвообрабатывающее орудие (рис. 1), имеющее малое тяговое сопротивление [11, 12]. Тягово-приводное почвообрабатывающее орудие содержит раму 1, сцепное устройство 2, приводные ротационные рабочие органы – игольчатые диски 3 и 4, расположенные в два ряда. На раме 1 установлен конический редуктор 5, входной вал 6 которого соединен с синхронным валом отбора мощности трактора карданным валом 7, на выходном валу 8 редуктора 5 установлены сменные звездочки 9 и 10, соединенные цепью 11 и 12 со сменными звездочками 13 на переднем и 14 на заднем валах ротационных рабочих органов. Ряды рабочих органов 3 и 4 расположены перпендикулярно направлению движения орудия, образуя шахматный порядок, и выполнены в виде батарей игольчатых дисков с иглами эвольвентной кривизны.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 1. Тягово-приводное почвообрабатывающее орудие:
а – вид слева; б – вид сверху; 1 – рама; 2 – навесное устройство; 3, 4 – игольчатые диски;
5 – конический редуктор; 6 – входной вал; 7 – карданный вал; 8 – выходной вал; 9, 10 –сменные звездочки;
11, 12 – цепь; 13, 14 – сменные звездочки
В касательных плоскостях на выпуклой стороне игл 15 (рис. 2) рабочих органов переднего ряда закреплены рыхлительно-несущие элементы 16 в форме равнобедренного треугольника, на иглах 17 рабочих органов 4 заднего ряда закреплены рыхлительные элементы 18, также в форме равнобедренного треугольника вершиной к носку игл 17.
|
|
|
||||
|
а |
б |
Рис. 2. Ротационные рабочие органы:
а – переднего ряда; б – заднего ряда; 1, 3 – иглы; 2, 4 – рыхлительно-несущие элементы
Повышение качества поверхностной обработки почвы и снижение затрат энергии достигается благодаря выполнению рабочих органов в виде игольчатых дисков, иглы которых изогнуты по эвольвенте окружности, и закреплению в касательных плоскостях на выпуклой стороне игл рабочих органов первого ряда рыхлительных элементов в форме равнобедренного треугольника [13-15]. Основание рыхлительных элементов параллельно оси игольчатого диска, высота треугольника, проведенная к его основанию, равна половине глубины обработки, а вершина направлена к концу игл, причем расстояние от вершин рыхлительных элементов до концов игл равно половине глубины обработки. Это позволяет рыхлительным элементам выполнять полосовую обработку почвы фронтальным рыхлением на половину глубины рыхления со значительным снижением затрат энергии на поперечное перемещение пласта при заданном ограничении глубины обработки.
Рыхлительные элементы второго ряда рабочих органов также выполнены в форме равнобедренного треугольника, вершина которых расположена на конце иглы. Основания рыхлительных элементов повернуты относительно оси вращения диска так, что они образуют с осью игольчатых дисков острый угол, а также поочередный поворот рыхлительных элементов относительно оси игольчатого диска в противоположные стороны позволяет рыхлить почву с деформацией растяжения в смежных полосах почвы необработанных первым рядом рабочих органов поочередным воздействием рыхлительных элементов, направленным в противоположные стороны от плоскости симметрии игольчатых дисков. Это позволяет повысить качество поверхностной обработки почвы и снижает затраты энергии. Однако, показатели качества поверхностной обработки почвы и затраты энергии на ее выполнение зависят от интервала расстановки рыхлительных элементов на диске и глубины рыхления.
Методика оптимизации конструктивных и технологических параметров дисково-игольчатых рабочих органов включает в себя проведение серии опытов согласно теории многофакторного планирования экспериментов [16].
В качестве оцениваемых показателей работы машинотракторного агрегата с тягово-приводным орудием выбраны качество крошения почвы и часовой расход топлива на выполнение технологического процесса обработки почвы. Критерием оптимизации выбрано удельное
энергопотребление (Эу), г/ч×% – относительная характеристика технологического процесса обработки почвы, показывающая часовой расход топлива на каждый процент качества крошения.
По результатам предварительных исследований были определены факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на оценочные показатели:
- интервал расстановки рыхлительных элементов на дисках 1 ряда (Δ1), град;
- интервал расстановки рыхлительных элементов на дисках 2 ряда (Δ2), град;
- глубина рыхления почвы (hp), см.
С целью определения влияния интервала расстановки рыхлительных элементов на дисках первого и второго рядов на качество поверхностной обработки почвы и затраты энергии ее выполнения, были изготовлены комплекты сменных дисков (рис. 3 и 4). С каждым комплектом дисков определялось качество поверхностной обработки почвы и затраты энергии.
Рис. 3. Дисково-игольчатые рабочие органы первого ряда с плоскими рыхлительными элементами,
установленными с интервалом в 90° (а), 60° (б), 30° (в)
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 4. Дисково-игольчатые рабочие органы второго ряда с плоскими рыхлительными элементами,
установленными с интервалом в 90° (а), 60° (б), 30° (в)
Исследование влияния интервала расстановки рыхлительных элементов на диске и глубины рыхления на качество поверхностной обработки почвы и на затраты энергии проводились на экспериментальном тягово-приводном орудии в полевых условиях. Серии опытов реализовывались согласно симметричному некомпозиционному квази-D-оптимальному плану Песочинского [16].
Определение качества крошения почвы выполнялось по СТО АИСТ 4.2-2010 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной и мелкой обработки почвы. Методы оценки функциональных показателей». Данной методикой предусматривался отбор образцов почвы на обработанных участках на всю глубину рыхления с площади 0,25x0,25 м. Оценку
качества крошения определяли исходя из процентного содержания по весу почвенных агрегатов размером от 1 до 50 мм.
Часовой расход топлива определялся в соответствии с методикой энергетической оценки
по ГОСТ Р 52777-2007 «Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки»
и ГОСТ 33687-2015 «Машины и орудия для поверхностной обработки почвы. Методы испытаний» с применением информационно-измерительной системы ИП-264 ФГБУ «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция».
Результаты исследований. В результате проведения серии опытов по симметричному некомпозиционному квази-D-оптимальному плану Песочинского получены следующие значения удельного энергопотребления Эу, г/ч×% (табл. 1).
Таблица 1
Результаты проведения симметричного квази-D-оптимального плана Песочинского
|
№ опыта |
Δ1, град |
Δ2, град |
hp, см |
Качество крошения, % |
Расход топлива, кг/ч |
Эу, г/ч×% |
|
1 |
60 |
90 |
8 |
93,5 |
8,7 |
93,0 |
|
2 |
60 |
30 |
8 |
86,4 |
8,4 |
97,2 |
|
3 |
60 |
90 |
4 |
88,5 |
7,6 |
85,9 |
|
4 |
60 |
30 |
4 |
81,0 |
7,3 |
90,1 |
|
5 |
90 |
60 |
8 |
93,5 |
8,7 |
93,0 |
|
6 |
30 |
60 |
8 |
86,7 |
8,4 |
96,9 |
|
7 |
90 |
60 |
4 |
88,5 |
7,6 |
85,9 |
|
8 |
30 |
60 |
4 |
81,3 |
7,3 |
89,8 |
|
9 |
90 |
90 |
6 |
93,6 |
8,3 |
88,7 |
|
10 |
30 |
90 |
6 |
86,4 |
8,0 |
92,6 |
|
11 |
90 |
30 |
6 |
86,1 |
8,0 |
92,9 |
|
12 |
30 |
30 |
6 |
79,5 |
7,7 |
96,8 |
|
13 |
60 |
60 |
6 |
89,5 |
7,9 |
88,3 |
После проведения регрессионного анализа результатов опытов получено следующее уравнение регрессии:
(1)
где ,
,
– кодовые значения факторов, вычисляемые по формулам:
;
;
. (2)
В результате получено следующее уравнение регрессии в натуральном раскодированном виде:
(3)
При глубине рыхления hp = 8 см, уравнение регрессии примет следующий вид:
(4)
По уравнению регрессии (4) построен график изменения удельного энергопотребления (Эу) в зависимости от интервала расстановки рыхлительных элементов на дисках 1 ряда (Δ1), интервала расстановки рыхлительных элементов на дисках 2 ряда (Δ2), при глубине рыхления почвы hp = 8 см (рис. 5).
Для определения оптимальных величин интервала расстановки рыхлительных элементов на дисках 1 ряда (Δ1) и интервала расстановки рыхлительных элементов на дисках 2 ряда (Δ2) при глубине рыхления почвы hp = 8 см продифференцируем уравнение (4), определяя производные первого порядка по каждой переменной и приравняем их к нулю:
(5)
В результате решения системы уравнений (5) найдены оптимальные значения факторов: интервал расстановки рыхлительных элементов на дисках 1 ряда Δ1 = 75°; интервал расстановки рыхлительных элементов на дисках 2 ряда Δ2 = 77°при глубине обработки почвы hp = 8 см. При данных значения факторов удельное энергопотребление Эу находится на уровне 92 г/ч×%.
Исследование влияния применения экспериментального тягово-приводного орудия ТПО-3 при ранневесенней обработке почвы показало возможность эффективного сохранения влаги за счет возможности более раннего закрытия влаги по сравнению с применением тяговых орудий на примере аналога БИГ-3 (рис. 6).
|
Угловой интервал расстановки рыхлительных элементов на иглах дисков 2 ряда, град |
|
Угловой интервал расстановки рыхлительных элементов на иглах дисков 1 ряда, град |
Рис. 5. Факторная зависимость удельного энергопотребления
Рис. 6. Диаграмма влагозапаса пахотного горизонта перед посевом при различных агрофонах:
контроль – без ранневесенней обработки; обработка тяговым орудием БИГ-3; обработка экспериментальным
тягово-приводным орудием ТПО-3
Заключение. В результате проведения серии опытов по симметричному некомпозиционному квази-D-оптимальному плану Песочинского выявлены оптимальные конструктивные и технологические параметры дисково-игольчатых рабочих органов, обеспечивающих повышение энергоэффективности обработки почвы тягово-приводным почвообрабатывающим орудием. Лучшая энергоэффективность работы тягово-приводного почвообрабатывающего орудия обеспечивается оптимальными значениями таких факторов, как интервал расстановки рыхлительных элементов на дисках 1 ряда Δ1 = 75°, интервал расстановки рыхлительных элементов на дисках 2 ряда Δ2 = 77° при глубине обработки почвы hp = 8 см. При данных значения факторов удельное энергопотребление Эу находится на уровне 92 г/ч×%. Применение предлагаемого тягово-приводного орудия с оптимальными конструктивными и технологическими параметрами дисково-игольчатых рабочих органов позволит обеспечить качественное и энергоэффективное рыхление почвы растяжением с отрывом, за счет снижения тягового сопротивления орудия при передаче основной доли мощности, потребляемой орудием, через вал механизма отбора мощности трактора на приводные ротационные рабочие органы. Использование такого орудия позволит в более ранние сроки проводить ранневесеннюю обработку почвы, сохранить большее количество продуктивной влаги и обеспечить повышение урожайности возделываемых культур в засушливых условиях среднего Поволжья.
1. Khalilov, M. B., Khalilov, Sh. M., Ismailov, A. B., & Dzhaparov, B. A. (2014). Issledovanie energozatrat na vozde-livanie seliskohoziaistvennoi kulituri [Research of energy consumption for the cultivation of crops]. Problemi razviti-ia APK regiona - Development problems of regional agro-industrial complex, 18, 2-18(18), 72-76 [in Russian].
2. Chatkin, M. N. (2008). Kinematika i dinamika rotacionnih pochvoobrabativaiushchih rabochih organov s vinto-vimi elementami [Kinematics and dynamics of rotary tillage working parts with screw elements]. Saransk: Publishing house of the Mordovian University [in Russian].
3. Nalavade, P. P., Salokhe, V. M., Niyamapa, T., & Soni, P. (2010). Performance of free rolling and powered till-age discs. Soil and tillage research, 109, 87-93.
4. Nalavade, P. P., Salokhe, V. M., Niyamapa, T., & Soni, P. (2013). Development of a disc harrow for onfarm crop residue management. International Agricultural Engineering journal, 22(1), 49-60.
5. Musin, R. M., & Mingalimov, R. R. (2012). Povishenie effektivnosti kulitivatornih agregatov s dvizhiteliami-rihliteliami [Improving the efficiency of ripper cultivator units]. Samara: Samara State Agricultural Academy [in Russian].
6. Mingalimov, R. R., & Musin, R. M. (2015). Issledovaniia processa obrazovaniia i ispolizovaniia dopolnitelinoi dvizhushchei sili mashinno-traktornogo agregata v rezulitate primeneniia dvizhiteleirihlitelei [Study the formation and use of additional motor force of machine-tractor aggregates with ripper cultivator units]. Vestnik Uliianovskoi gosudarstvennoi seliskokhoziaistvennoi akademii - Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy, 1 (29), 126-132 [in Russian].
7. Boizard, H. et al. (2013). Using a morphological approach to evaluate the effect of traffic and weather conditions on the structure of a loamy soil in reduced tillage. Soil and Tillage Research, 127, 34-44.
8. Savelyev, Yu. A., Kukharev, O. N., Laryushin, N. P., Ishkin, P. A., & Dobrynin, Yu. M. (2018). Snizhenie poter pochvennoi vlagi na isparenie [Reduction of evaporation loss]. Seliskohoziaistvennie mashini i tekhnologii - Agri-cultural machinery and technologies, 12, 1, 42-47 [in Russian].
9. Savelyev, Yu. A., Dobrynin, Yu. M., & Ishkin, P. A. (2017). Teoreticheskoe issledovanie vodnogo balansa pochvy i processa ispareniia pochvennoi vlagi [Theoretical study of soil water balance and evaporation loss]. Seliskohoziaistvennie mashini i tekhnologii - Agricultural machinery and technologies, 1, 23-28 [in Russian].
10. Savelyev, Yu. A., & Ishkin, P. A. (2007). Oseniiu - polosovoe rihlenie [Autumn - strip-till loosening]. Seliskii mekhanizator - Selskiy Mechanizator, 10, 20 [in Russian].
11. Ishkin, P. A., Savelyev, Yu. A., Petrov, A. M., & Petrov, M. A. (2015). Orudie dlia poverhnostnoi obrabotki poch-vi [Tool for surface tillage]. Patent 2538810 Russian Federation, IPC A 01 B 33/02. №2013146320/13 [in Russian].
12. Savelyev, Yu. A., Petrov, A. M., Ishkin, P. A., & Petrov, M. A. (2014). Orudie dlia rannevesennei obrabotki pochvi [The tool for early spring tillage]. Seliskii mekhanizator - Selskiy Mechanizator, 10, 6 [in Russian].
13. Petrov, M. A., Savelyev, Ju. A., & Ishkin, P. A. (2018). Povishenie effektivnosti tiagovo-privodnogo pochvoobrabativaiushchego agregata [Improving the efficiency of the powered tillage units]. Vestnik Uliianovskoi gosudarstvennoi seliskokhoziaistvennoi akademii - Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy, 3 (43), 19-24 [in Russian].
14. Savel'ev, Yu. A., Petrov, A. M., Ishkin, P. A., & Petrov, M. A. (2019). Obosnovanie formi igl rotacionnih rabochih organov tiagovo-privodnogo pochvoobrabativaiushchego orudiia [Justification the form of soil spikers of powered tillage tools]. Izvestiia Samarskoi gosudarstvennoi selskokhoziaistvennoi akademii - Bulletin Samara state agricul-tural academy, 4, 20-28 [in Russian].
15. Akhmetshin, T. F. (2014). Vliianie geometricheskih parametrov pochvoobrabativaiushchih detalei na stepen deformacii pochvi [The influence of geometric parameters of tillage parts on the degree of soil deformation]. Izvesti-ia Orenburgskogo GAU - Izvestia Orenburg SAU, 1, 50-53 [in Russian].
16. Dospekhov, B. A. (1985). Metodika polevogo opita (s osnovami statisticheskoi obrabotki rezulitatov issledo-vanii) [The methodology of field experience (with the basis of statistical processing of research results)]. Moscow: Agropromizdat [in Russian].
