Soil cultivating with a tiller with V-shaped knives

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Основная задача сельскохозяйственного производства — обеспечение продовольствием население страны. Объектом исследования нами была взята небольшая страна Центральной Африки, а именно Бурунди, площадью в 27834 км² и населением более 12000000 жителей.

Сельское хозяйство данной страны занимает значительное место в ее экономике и направлено в значительной мере на собственное потребление. Хотя природные условия в виде холмистой местности и отсутствия выхода к морю значительно затрудняют ведение сельского хозяйства, в плане продовольствия, импорт занимает всего 5%.

Несмотря на благоприятные природные условия, обусловленные многообразием климата и необходимым количеством осадков, особенности ведения сельского хозяйства (как правило семейное фермерство) способствуют снижению плодородия почв. Возникает необходимость перехода от экстенсивного ведения сельского хозяйства к интенсивному, эколого-мелиоративному.

Необходимость бурундийских фермеров в выращивании сопутствующих культур затрудняет механизацию сельского хозяйства. Это приводит к значительному ручному труду при вспашке, посеве, прополке, обрезке, сбору урожая [2, 3].

Например, вспашка поля под посев риса проводится в три этапа. Первый этап наиболее энергоемкий. Один гектар пашни на этом этапе обрабатывают 10 человек за 10 дней. Второй этап менее трудоемкий и заключается в разрушении комков, 10 человек могут обработать один гектар примерно за 5 дней. Третий этап, выполняемый перед посадкой, выполняется теми же средствами и не менее трудоемкий.

Анализ технологии возделывания риса в этой стране показывает о необходимости внедрения технических средств, которые могли бы снизить трудоемкость выполнения многих операций, например, пахоты.

Нами предлагается средство подготовки почвы под посадку риса, а также для посева сорго и других технических культур в условиях малоземельного сельского хозяйства и недостаточности топливо-смазочных материалов [4].

Основным рабочим органом агрегата для обработки почвы здесь выступает фреза с клиновидными ножами (рис. 1, 2).

 

Рис. 1. Нож почвообрабатывающей фрезы с отогнутой частью стойки влево (a) и вправо (b) ): 1 — стойка с отогнутыми влево и вправо частями, 2 — режущая кромка, 3 — плоские кли- новидные зубья, 4 — монтажные кронштейны, 5 — режущая кромка, 6 — крепежные отверстия.

 

Рис. 2. Клиновидный зуб: 3 — плоские клиновидные зубья, 4 — монтажные кронштейны, 5 — режущая кромка.

 

Целью исследований является обоснование энергоемкости процесса обработки почвы скребком с клиновидными ножами.

Задачами исследования является определение сопротивления почвы при работе нашим скребком с клиновидными ножами, а также построение зависимостей от скорости передвижения при фиксированных значениях числа ножей.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Негативной стороной применения ротационных почвообрабатывающих механизмов является значительное потребление энергии. Исходя из данных соображений разработаем математическую модель, способствующую определять потребную мощность машины на стадии проектирования, выполним анализ параметров, делающих ротационную машину энергоемкой [5].

Выполнение поставленных нами задач исследования и расчет мощности, требуемой для работы предложенного нами ротационного механизма с клиновидными ножами осуществляем таким образом.

Рассмотрим требуемую мощность [6], необходимую для работы ротационной почвообрабатывающей машины с клиновидными ножами, состоящей из

$N=N_{\text{п}}+N_{\text{р}}+N_{\text{о}}$, (1)

где $N_{\text{п}},N_{\text{р}}\text{ и }{N}_{\text{о}}$ – мощность, затрачиваемая на преодоление соответственно постоянных сопротивлений, осуществления процесса резания (деформировании почвенных стружек) и отбрасывания почвы, кВт.

На работу $A_{\text{р.с.}}$(Дж), совершаемую ножом и его стойкой крепления при отделении почвенного пласта, оказывает влияние удельная реакция почвенного пласта, общая длина режущей поверхности, длина дуги резания . Длина режущей поверхности может быть принята равной 0,24 м учитывая длину режущих кромок зубьев.

Тогда имеем:

$A_{\text{р.с.}}=k_{\text{л}}\cdot l_{\text{п}}\cdot l_{\text{р}}$, (2)

где 

$l_{\text{р}}=\underset{0}{\overset{\omega t_{\text{г}}}{}}\sqrt{1+{\lambda }^2-2\lambda \cos \omega t}\cdot d\left(\omega t\right)$, (3)

$\omega t_{\text{г}}={\beta }_{\text{н}}+{\Psi }_{\text{г}}$.

Угол начала резания (рис. 3):

 

Рис. 3. Движение ножа в почве при прямом вращении ротора.

 

${\beta }_{\text{н}}=\arccos \left(\frac{R-h}{R}\right)$, (4)

здесь – радиус ротора, м; – глубина обработки, м.

${\Psi }_{\text{г}}\approx \frac{\pi }{\left[z\left(\lambda -1\right)\right]}$, (5)

где $z$ – число ножей, расположенных в одной плоскости; $\lambda$ – кинематический параметр (рис. 4); $\omega$ – угловая скорость, м/с; $t$ – время, с.

 

Рис. 4. Схема траектории движения точки ротора при различных кинематических параметрах λ.

 

Стойка ножа воздействует на обрабатываемый слой в основном в направлении открытой поверхности.

На работу $A_{\text{р.к.}}$(Дж), совершаемую стойкой, оказывает действие удельное сопротивление $k_0$ деформированного почвенного пласта, при этом фронтальная проекция самой стойки $S_{\text{к}}$ и длина дуги резания:

$A_{\text{р.к.}}=k_0\cdot S_{\text{к}}\cdot l_{\text{р}}$. (6)

Значение параметра $S_{\text{к}}$ вычисляем, спроектировав стойку на поверхность, перпендикулярную к направлению движения рабочего органа. Изменение фронтальной проекции в процессе резания будет зависеть от угла резания $\gamma$ (рис. 5). Среднюю величину $S_{\text{к.с.}}$ на дуге резания определим:

 

Рис. 5. Схема к определению углов резания.

 

$S_{\text{к.с.}}=\frac{ab\left(\cos {\gamma }_1-\cos {\gamma }_2\right)}{{\gamma }_2-{\gamma }_1}$, (7)

где $a$ – толщина стойки, м; $b$ – ширина стойки, м; ${\gamma }_1,{\gamma }_2$ – углы резания соответственно в начале и конце резания.

Мощность, потребляемая в процессе резания и затрачиваемая на деформацию почвы одним ножом:

$N_1=\frac{A_{\text{р.с.}}+A_{\text{р.к.}}}{t_{\text{р}}}$, (8)

где $t_{\text{р}}$– время отрезания пласта одним ножом, с.

Конструктивная схема ротора составлена таким образом, что ножи, в процессе работы, перекрывают один другого. Мощность, затрачиваемая ножами, расположенными в одной вертикальной плоскости, на резание и деформацию почвы:

$N_{\text{д}}=N_1\cdot k_z$, (9)

где $k_z$ – коэффициент, учитывающий перекрытие ножей во время работы.

Обозначая время от начального момента резания первым ножом плоскости (диска) до начала резания вторым ножом через , а число ножей в одной плоскости через , получим:

$t_{\text{п}}=\frac{2\pi }{z\cdot \omega }=\frac{S}{v_{\text{п}}}$, (10)

тогда

$k_z=\frac{t_{\text{р}}}{t_{\text{п}}}=\frac{v_{\text{п}}{t}_{\text{р}}}{S}$. (11)

Принимая на оси ротора плоскостей с ножами, получим зависимость для определения мощности, затраченной на резание и деформацию почвы всем ротором в виде:

$N_{\text{р}}=k_z\cdot n\cdot N_1=\frac{v_{\text{п}}\cdot t_{\text{р}}}{S}\cdot n\cdot \frac{A_{\text{р.с.}}+A_{\text{р.к.}}}{t_{\text{р}}}$,

$N_{\text{р}}=\frac{v_{\text{п}}\cdot n}{S}\cdot \left(k_{\text{л}}\cdot l_{\text{п}}\cdot l_{\text{р}}+k_0\cdot S_{\text{к.с.}}\cdot l_{\text{р}}\right)=\frac{v_{\text{п}}\cdot n\cdot l_{\text{р}}}{S}\left(k_{\text{л}}\cdot l_{\text{п}}+k_0\cdot S_{\text{к.с.}}\right)$. (12)

Для определения мощности, затрачиваемой на отбрасывание почвы, применяем теорему об изменении кинетической энергии движущейся материальной точки, при этом принимается допущение, что центр тяжести элементарной массы находится на конце рабочего органа и под его воздействием частицы почвы приобретают среднюю скорость самого рабочего органа.

Тогда

$N_{\text{о}}=\frac{m{v}^2}{2}=\frac{{\rho }_{\text{п}}\cdot B\cdot h\cdot v_{\text{п}}\cdot k_{\text{от}}\cdot v^2}{2}$, (13)

где $m$ – масса почвы, отброшенная в единицу времени, Н; ${\rho }_{\text{п}}$ – плотность почвы, кг/м³; $B$ – ширина захвата ротора, м; $h$ – глубина обработки, м; $v_{\text{п}}$ – скорость движения агрегата, м/с; $k_{\text{от}}$ – коэффициент отношения масс отброшенной и всей срезанной почвы, определяемый экспериментально

$t_{\text{р}}=\frac{{\beta }_{\text{н}}+{\Psi }_{\text{г}}}{\omega }$,

где ${\Psi }_{г}$ – угол, определяемый из уравнения (5).

Так как отбрасывание почвы начинается в момент прихода ножа в зону дна борозды, где его средняя скорость (м/с):

$v=v_0-v_{\text{п}}$,

то

$v=v_{\text{п}}\left(\lambda -1\right)$.

Тогда при $\lambda =\mathrm{const}$

$N_{\text{от}}=\mathrm{0,5}\cdot {\rho }_{\text{п}}\cdot B\cdot h\cdot v_{\text{п}}^3\cdot k_{\text{от}}\cdot {\left(\lambda -1\right)}^2=\mathrm{0,5}\cdot {\rho }_{\text{п}}\cdot B\cdot h\cdot k_{\text{от}}\cdot {\omega }^3\cdot R^3-\frac{{\left(\lambda -1\right)}^2}{{\lambda }^3}$.

Окончательно получаем:

$N=N_{\text{п}}+\frac{v_{\text{п}}\cdot n\cdot l_{\text{р}}}{S}\cdot \left(k_{\text{л}}\cdot l_{\text{п}}+k_0\cdot S_{\text{к.с.}}\right)+\mathrm{0,5}\cdot {\rho }_{\text{п}}\cdot B\cdot h\cdot v_{\text{п}}^3\cdot k_{\text{от}}\cdot {\left(\lambda -1\right)}^2$. (14)

Полученное выражение характеризует зависимость, возникающую между мощностью, затраченной ротационной машиной с клиновидными ножами, конструктивными параметрами самого ротора и его ножей, кинематическими параметрами машины и физико-механическими свойствами почвы.

По известной общей мощности, может быть получено среднее значение величины реакции почвы [6] на один нож $P_{\text{c}}$ , соответствующей тяговому сопротивлению, приходящемуся на один нож (См. Расчёт сопротивления прицепных тяговых агрегатов при работе на горизонтальном участке и на продольном уклоне [Режим доступа]: https://studfile.net/preview/5611268/page:3/) (рис. 6):

 

Рис. 6. Зависимость величины реакции почвы на один нож от скорости при фиксированных значениях числа ножей, располо- женных в одной плоскости.

 

$P_{\text{c}}=\frac{N\cdot t_{\text{р}}}{n\cdot z\cdot k_z\cdot l_{\text{р}}}=\frac{N\cdot S}{n\cdot z\cdot v_{\text{п}}\cdot l_{\text{р}}}$. (15)

Подача ножа определяется по выражению:

$S=\frac{2\pi \cdot R}{z\cdot \lambda }$. (16)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные задачи выполнены. Анализируя приведенные данные, мы наблюдаем, что значения, соответствующие величине сопротивления почвы с увеличением скорости, начинают изменять тенденцию в положительную для нас сторону.

ВЫВОДЫ

Анализируя теоретические зависимости влияния скорости перемещения и количества ножей в одной плоскости предлагаемого рабочего органа видно, что при трех ножах в одной плоскости рабочего органа, сопротивление, приходящееся на один нож увеличивается почти в два раза, что будет способствовать общему увеличению сопротивления почвы всему рабочему органу. В то же время, увеличение скорости передвижения оказывает положительный эффект на снижение реакции почвы на рабочий орган [8, 9].

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Наибольший вклад распределён следующим образом: Б.Ф. Тарасенко ― редактирование текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии; А. Нийомувуньи ― редактирование текста рукописи, создание изображений; B.А. Дробот ― сбор и анализ литературных источников; C.Г. Руднев ― редактирование текста рукописи; А.И. Блинова ― редактирование текста рукописи. 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. B.F.Tarasenko ― editing the text of the manuscript, expert opinion, approval of the final version; A. Niyomuvunyi ― editing the text of the manuscript, creating images; V.A.Drobot ― search for publications; S.G.Rudnev ― editing the text of the manuscript; A.I. Blinova – editing the text of the manuscript. All 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

Boris F. Tarasenko

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Author for correspondence.
Email: b.tarasenko@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-9957-5979
SPIN-code: 7415-7870

Associate Professor, Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Tractors, Automobiles and Technical Mechanics Department

Russian Federation, Krasnodar

Angelos Niyomuvunyi

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: viktor.drobot.85@mail.ru

Postgraduate of the Tractors, Automobiles and Technical Mechanics Department

Russian Federation, Krasnodar

Viktor A. Drobot

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: viktor.drobot.85@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3136-6481
SPIN-code: 7889-3176

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Resistance of Materials Department

Russian Federation, Krasnodar

Sergey G. Rudnev

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: donsergio38@gmail.com
SPIN-code: 5564-8707

Engineer, Senior Lecturer of the of the Tractors, Automobiles and Technical Mechanics Department

Russian Federation, Krasnodar

Anastasia I. Blinova

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: ablinova802@gmail.com
SPIN-code: 2935-4647

Engineer, Assistant of the Resistance of Materials Department

Russian Federation, Krasnodar

References

Supplementary files