Features of furrow formation with rotary and arrow-headed working bodies

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностная обработка почвы – обработка почвы на глубину не более 8 см различными почвообрабатывающими орудиями с целью ее рыхления, провокации и уничтожения сорняков и выравнивания поверхности поля [1]. Важное место в ресурсосберегающих технологиях занимает предпосевная обработка почвы, являющаяся одной из операций поверхностной обработки почвы, которая в свою очередь обеспечивает наилучшие условия для посева семян. Одним из таких условий является выровненное, уплотненное дно борозды. Это обеспечивает одновременные и равномерные всходы. Для обеспечения указанного требования используются технические средства с различными рабочими органами. Машины и орудия, оснащенные дисковыми рабочими органами, в сравнении с орудиями со стрельчатыми рабочими органами, как известно, имеют меньшее тяговое сопротивление и, вместе с тем, большую производительность [2, 3]. В то же время, они работоспособны на более влажных, засоренных почвах и не забиваются при работе на полях с высокой стерней и наличием мелких куч соломы. Однако, дисковые рабочие органы со сплошной и вырезной поверхностями обладают серьезным недостатком – на поверхности дисков формируются почвенные образования, которые приводят к затратам энергии и одновременному снижению качества выполнения технологического процесса обработки почвы [4]. Чистики не способны предотвратить данное явление. Исследования зарубежных ученых посвящены определению параметров борозды, формируемой дисковым рабочим органом со сплошной поверхностью [5]. Совершенствование дисковых рабочих органов путем разделения сплошного режущего полотна диска на отдельные части – режущие ножи и поворот их под углом к плоскости вращения, обеспечивает условия для стабильного скольжения почвы по рабочей поверхности [6]. Однако, вопросы бороздообразования подобных рабочих органов остаются малоизученными.

Цель исследований – раскрытие закономерностей бороздообразования ротационными рабочими органами с режущими ножами, выполненными по эллиптической линии, к плоскости вращения рабочего органа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для операций технологического процесса поверхностной обработки почвы (предпосевной и обработки пара) применяются машины и орудия, оснащенные пассивными рабочими органами, совершающими прямолинейное поступательное движение и ротационными рабочими органами, совершающими одновременно поступательное и вращательное движение. Основные виды машин и орудий для поверхностной обработки почвы представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Виды машин и орудий для поверхностной обработки почвы.

Fig. 1. Types of machines and tools for surface tillage.

 

Предпосевная обработка почвы – один из главных и наиболее эффективных агротехнических приемов в борьбе с сорной растительностью. Для результативной борьбы с сорняками на глубину 3–5 см необходимо проводить предпосевную обработку на заданную глубину, в то время как орудия со стрельчатыми рабочими органами способны устойчиво работать лишь на глубине не менее 8–10 см в виду отсутствия противодавления.

К тому же, стрельчатые рабочие органы лишь подрезают сорняки, оставляя корни в слое почвы, при всем этом приживаемость сорняков составляет порядка 10–12% [7]. Впрочем, стрельчатые рабочие органы хорошо справляются с задачей создания выровненного, уплотненного дна борозды. Их лезвия лежат в одной плоскости, и поступательное движение обеспечивает получение ровного дна борозды. Тем не менее, в перспективе остаются вопросы, связанные с повышением качества существующих агротехнических приемов [8, 9].

В условиях повышенной влажности почвы, стрельчатые рабочие органы подвержены залипанию почвой, а также обволакиванию растительными остатками и, как следствие, росту тягового сопротивления. Вследствие этого тракторы работают с большим буксованием, так как почва в весенний период находится во влажном состоянии и имеет плохие сцепные качества.

Дисковые рабочие органы, имеющие большое количество достоинств, находят широкое применение в сельском хозяйстве во многих странах мира.

В районах с почвами, подверженными ветровой эрозии, широко используются орудия с прорезными поверхностями, т.е. с кольцевыми рабочими органами. При работе указанных рабочих органов через вырезы между ободом и спицами проходят почва и растительные остатки (рис. 2). Последние равномерно распределяются по поверхности поля и защищают почву от ветровой эрозии. Режущие ножи данных рабочих органов являются сплошными и имеют форму усеченного круглого конуса.

 

Рис. 2. Ротационный рабочий орган, режущие лезвия которого выполнены по эллиптической линии: 1 – ступица, 2 – спица, 3 – режущий нож; β – гол атаки рабочего органа, α – угол наклона режущего ножа.

Fig. 2. Rotary working body equipped with the cutting blades made along the elliptical line: 1 – a hub, 2 – a spoke, 3 – a cutting blade, β – working body attack angle, α – cutting blade inclination angle.

 

Ротационный рабочий орган с режущими ножами, выполненными по эллиптической линии, разработан на основе кольцевого рабочего органа по следующему принципу: режущий нож разделен на части, полученные части ножей отклонены от плоскости вращения на угол α (см. рис. 2).

Технологический процесс обработки почвы осуществляется следующим образом. Ротационные рабочие органы, собранные в батареи (см. рис. 2), заглубляясь в почву за счет вращения от ВОМ, обрабатывают, осуществляя ее рыхление и подрезание сорняков.

Для обеспечения постоянной глубины обработки их режущим кромкам придали эллиптическую форму. Режущие кромки ножей совпадают с поверхностью цилиндра с диаметром, равным диаметру кольцевого рабочего органа. Данная конструкция рабочего органа способствует обеспечению скольжения почвы по поверхностям режущих ножей.

Технологический процесс работы указанным рабочим органом, следующий: ротационные рабочие органы с режущими лезвиями, выполненными по эллиптической линии, собираются в батарею, устанавливаются в один ряд под углом атаки β и имеют активный привод от вала отбора мощности трактора. При этом, заглубляясь в почву на заданную глубину, данный рабочий орган рыхлит ее, одновременно подрезая сорняки и вынося их на поверхность поля [10].

У первых двух типов рабочих органов на их рабочих поверхностях происходит налипание почвы, и формируются почвенные образования, которые ведут к ухудшению качества работы и увеличению энергоемкости обработки почвы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Бороздообразование дисковыми и кольцевыми рабочими органами. Дисковый рабочий орган со сплошной и прорезной поверхностями формирует борозду, схема которой представлена на рис. 3, где ось ОХ характеризует направление движения почвообрабатывающего агрегата.

 

Рис. 3. К формированию схемы борозды, образуемой ротационными рабочими органами со сплошной и кольцевой поверхностями при виде сверху: a – схема; b – дисковый рабочий орган в работе; c – кольцевой рабочий орган в работе.

Fig. 3. Formation of a diagram of the furrow made with rotary working bodies with closed and annular surfaces at the top view: a – a diagram; b – the disk-shaped working body in operation; c – the annular working body in operation.

 

Фигура АЕСD представляет собой параллелограмм и вид сверху на борозду, формируемую дисковыми рабочими органами со сплошной и прорезной поверхностями. Отрезки АЕ и DС – боковые стороны борозды, параллельные направлению движения агрегата, а их длина равна длине обрабатываемой загонки. В процессе работы диск одновременно совершает поступательное и вращательное движение. За счет этого каждая точка лезвия циклически заглубляется в почву и выглубляется из нее по определенной криволинейной траектории afd. Ее форму с небольшой погрешностью можно считать частью эллипса. По кривой af происходит заглубление точки лезвия в почву, а по fd – выглубление.

Каждая точка поверхности лезвия диска двигается в почве по одинаковой траектории. Все траектории начинаются по линии АЕ и завершаются по DС. Отрезок АD является проекцией траектории точки лезвия диска, которая начинает обрабатывать почву в начале загонки. Отрезок ЕС, представляет проекцию траектории точки лезвия, завершающую обработку почвы в конце загонки. За счет прохода всех точек лезвия диска в почве формируется борозда АЕСD [11].

Поперечное сечение борозды (см. рис. 3), представляет собой часть эллипса. Большая его полуось равна радиусу диска R, а малая – R·sinβ. Борозда характеризуется глубиной h и шириной В. Формы поперечных сечений борозд зависят от конфигурации контура лезвия диска и отклонения плоскости вращения диска от вертикали. Борозда, формируемая кольцевым (прорезным) рабочим органом, частично закрывается почвой и растительными остатками, перепускаемыми через отверстия в рабочем органе.

Бороздообразование ротационным рабочим органом, режущие ножи (лезвия) которого выполнены по эллиптической линии и наклонены к плоскости вращения: на рис. 4a показан вид сверху на борозду, формируемую одним режущим ножом от момента заглубления и до его полного выглубления. Белая стрелка с номером опыта показывает направление поступательного движения рабочего органа. Отрезки АЕʹ и DСʹ представляют боковые стороны борозды АЕʹСʹD и отклонены от направления движения. На рис. 4b приведено схематическое изображение вида сверху данной борозды, имеющей форму параллелограмма АЕʹСʹD. Отрезки АЕʹ и DСʹ – боковые стороны борозды. Они параллельны друг другу, равны и отклонены от направления движения агрегата на угол ξ.

 

Рис. 4. Вид сверху на борозду, формируемую ротационным рабочим органом, режущие ножи которого выполнены по эллиптической линии и наклонены к плоскости вращения: a – общий вид; b – схема.

Fig. 4. Top view of the furrow formed with a rotary working body equipped with the cutting blades made along the elliptical line and inclined to the rotation plane: a – general view, b – a diagram.

 

На рис. 5 представлено поперечное сечение борозды, сформированной двумя смежными режущими ножами. Борозда получена в результате физического моделирования работы ротационного рабочего органа [12].

 

Рис. 5. Поперечное сечение борозды, сформированной двумя смежными режущими ножами, выполненными по эллиптической линии.

Fig. 5. Cross-section of the furrow formed with two neighboring cutting blades made along the elliptical line.

 

Во время работы режущие ножи попеременно заглубляются в почву и выглубляются из нее. На лезвии одного ножа выделим переднюю точку, которая начинает обработку почвы. Она заглубляется в почву и выглубляется из нее по криволинейной траектории aʹfʹdʹ. Ее форма и параметры идентичны траектории afd, по которой в почве двигаются точки лезвия дисковых рабочих органов со сплошной и прорезной поверхностями. Каждая точка лезвия двигается в почве по такой траектории. Траектории движения начинаются по линии АЕʹ и завершаются по – DСʹ. Отрезок АD является проекцией траектории передней точки лезвия ножа, которая начинает обрабатывать почву. Отрезок ЕʹСʹ является проекцией траектории движения в почве на горизонтальную плоскость крайней точки лезвия ножа, завершающей обработку почвы. Таким образом, точки лезвий всех трех типов дисковых рабочих органов, двигаются в почве по совершенно одинаковым траекториям.

Отрезки АD и ЕʹСʹ равны, параллельны и отклонены от направления движения на угол γ. Указанное свидетельствует о том, что углы γ для всех трех типов рабочих органов равны. Поперечное сечение борозды mʹtʹnʹ (см. рис. 4b) представляет собой часть эллипса. Его большая полуось равна радиусу диска R, а малая – R·sinβ·sin(γ–ξ)/sinγ. Глубина борозды равна h, а ширина – Вʹ. Схемы борозд, приведенные на рис. 3 и 4, совместим по отрезку АD (рис. 6) [12].

 

Рис. 6. Вид сверху на борозду для составления схемы к определению ширины борозды, образуемой режущим ножом ротационного рабочего органа, выполненного по эллиптической линии: a – общий вид; b – схема.

Fig. 6. Top view of the furrow for drawing up a diagram for determining the width of the furrow formed with the cutting blade of the rotary working body, made along the elliptical line: a – general view, b – a diagram.

 

Из рис. 6 следует, что ширина борозды Вʹ, формируемой ротационным рабочим органом с режущими ножами, выполненными по эллиптической линии.

Общий вид борозды, образуемой режущим ножом ротационного рабочего органа, выполненного по эллиптической линии, представлен на рис. 7. Она представляет собой криволинейную пространственную поверхность. Продольная сторона борозды отклонена от направления движения под углом ξ.

 

Рис. 7. Общий вид борозды, образуемой режущим ножом ротационного рабочего органа, выполненного по эллиптической линии.

Fig. 7. General view of the furrow formed with the cutting blade of the rotary working body, made along the elliptical line.

 

Дно борозды, образуемое режущим ножом ротационного рабочего органа, представляет желоб. Оно формируется за счет движения каждой точки режущего ножа в почве.

Таким образом, при одинаковой глубине обработки почвы режущий нож ротационного рабочего органа с режущими ножами, выполненными по эллиптической линии и углом наклона ко дну борозды, формирует борозду меньшей ширины, чем сплошные и прорезные дисковые рабочие органы.

ВЫВОДЫ

1. Технологический процесс бороздообразования режущим ножом ротационного рабочего органа, выполненного по эллиптической линии, характеризуется последовательным заглублением и выглублением всех точек режущего ножа.
2. Проекция борозды на горизонтальную плоскость представляет параллелограмм, а ее поперечное сечение имеет форму части эллипса.
3. Режущие ножи ротационного рабочего органа, выполненные по эллиптической линии, образуют короткие, узкие и, отклоненные от направления движения, борозды, в пределах ширины захвата рабочего органа.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. О.А. Бенюх ― поиск публикаций по теме статьи, утверждение финальной версии; Р.И. Кравченко ― редактирование текста рукописи, создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. O.A. Benyukh ― search for publications, approval of the final version; R.I. Kravchenko ― editing the text of the manuscript, creating images. Authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Oleg A. Benyukh

Kostanay Regional University named after A. Baitursynov

Author for correspondence.
Email: beolan@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-1905-9224
SPIN-code: 7169-4424
Scopus Author ID: 57190964696

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.), Professor of the Machines, Tractors and Automobiles Department

Kazakhstan, Kostanay

Ruslan I. Kravchenko

Kostanay Regional University named after A. Baitursynov

Email: ruslan_kravchenko_15@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-7456-9901
SPIN-code: 8479-4468
Scopus Author ID: 57193999234

PhD, Acting Associate Professor of the Machines, Tractors and Automobiles Department

Kazakhstan, Kostanay

References

Supplementary files