Determination of tractive resistance of a wide-cutting chain harrow for soil mulching

全文:

Определение тягового сопротивления широкозахватной цепной бороны для мульчирования почвы

Введение

Обязательным условием для реализации технологий mini-till и no-till является наличие на поверхности почвы достаточно мощного мульчирующего слоя. Технология мульчирования почвы – сложный процесс, предполагающий в том числе и применение почвообрабатывающей техники, обеспечивающей интенсификацию накопления органического вещества и одновременно технологические возможности для работы последующих агрегатов.

Интенсификация процессов мульчирования предполагает увеличение скорости и полноты биологической утилизации растительных остатков, остающихся после уборки урожая. Это в свою очередь определяется степенью их измельчения, а также их дислокацией в почве [1, 2]. Очевидно, что равномерное измельчение растительных остатков, по оценкам ученых до 0,05 м и менее [3], их перемешивание с почвой, при равномерном распределении по поверхности поля позволяет ускорить процессы мульчирования, а соответственно и повысить отдачу от технологий mini-till и no-till.

Комплекс машин, применяемый при мульчировании, достаточно разнообразен и в каждом конкретном случае определяется зональными природно-климатическими и агропроизводственными особенностями. Широкое распространение получили машины с дисковыми и ротационными рабочими органами: традиционные лущильники, дисковые бороны, дисковые мульчировщики, ротационные мотыги [4]. При обработке почвы после грубостебельных культур эффективны ножевидные (рубящие) катки. Значительную эффективность при мульчировании в технологиях mini-till и no-till демонстрируют машины с цепными рабочими органами, широкое распространение в сельскохозяйственном производстве получили бороны конструкции В.И. Двуреченского. Данные машины приспособлены для работы на различных агрофонах, хорошо копируют неровности рельефа поля, относительно просты в обслуживании и регулировках. Однако отмечаются и определённого рода недостатки, в частности, используемый рабочий орган – цепной шлейф с «боковым» расположением рыхлительных зубьев не в полной мере обеспечивает измельчение растительных остатков и перемешивание их с почвой. Как отмечается в исследованиях [5] основная причина этого заключается в недостаточно полном заглублении рыхлительных зубьев при относительно низкой интенсивности их взаимодействия с почвой, обусловленной значительным «шагом зубьев» (расстоянием между двумя последовательными следами, оставляемыми при проходе зубьями на почве). Также среди недостатков существующих цепных борон можно отметить относительно малую ширину захвата, ограниченную 12 м. Принимая же во внимание не высокую энергоемкость процесса, целесообразно увеличение рабочей ширины захвата, это позволит при комплектовании с тракторами более высоких тяговых классов значительно повысить производительность агрегатов, что актуально в условиях дефицита квалифицированных механизаторов.

Принимая во внимание выше сказанное, можно резюмировать, что исследования, направленные на создание и совершенствование машин и рабочих органов для мульчирования почвы и в частности цепных борон актуальны.

Цель исследований – разработка широкозахватной цепной бороны и рабочего органа, обеспечивающего интенсификацию процессов мульчирования почвы, теоретическая и экспериментальная оценка величины тягового сопротивления орудия.

Материалы и методы

В целях повышения эффективности мульчирования разработаны цепная борона [7] и цепной рабочий орган [6], на котором изменено расположение рыхлительных зубьев (рис. 1). Если на стандартном они располагаются на пластине за пределами звеньев («боковое» расположение), то на предлагаемом они находятся на пластине внутри звеньев («центральное» расположение) (рис. 2). Указанное технические решение призвано повысить интенсивность взаимодействия рыхлительных зубьев с почвой за счет уменьшения «шага зубьев» при одновременном создании лучших условий для их заглубления [8]. Также необходимо отметить, что рыхлительные зубья выполнены съёмными, что повышает ремонтопригодность рабочих органов.

 

Рис. 1 – Разработанный рабочий орган для цепной бороны: 1 – звено; 2 – пластина; 3 – гайка; 4 – рыхлительный зуб

Fig. 1 - Developed working tool for chain harrow: 1 - link; 2 - plate; 3 - nut; 4 - ripping tooth

Рис. 2 – Рабочие органы цепных борон: а – рабочий орган бороны Двуреченского с «боковым» расположением рыхлительных зубьев; б – разработанный рабочий орган с «центральным» расположением рыхлительных зубьев

 Fig. 2 - Working bodies of chain harrows: a - working body of Dvurechensky harrow with “lateral” arrangement of ripping teeth; b - developed working body with “central” arrangement of ripping teeth

Для теоретической оценки энергетических показателей работы цепной бороны с разработанными рабочими органами предварительно выделим фрагмент шлейфа, состоящий из двух звеньев, и рассмотрим силы, действующие на него в плоскости системы координат O₁X₁Z₁, параллельной плоскости вращение (рисунок 3). В ходе технологического процесса на каждый выделенный фрагмент рабочего органа действуют: вес G; сила тяги P_тяг; сила инерции P_и; реакция почвы R_п; составляющая тягового сопротивления P_f, обусловленная действием силы тяжести.

Сила тяжести G и сила инерции P_и приложены к центру масс O_c, реакция R_п оказывает действие на рыхлительный зуб (рисунок 3). Усилие P_f изменяется знакопеременно и приложено в центре масс.

 

Рис. 3 – Схема сил, приложенных к фрагменту цепного шлейфа в координатах O₁X₁Z₁

 Fig. 3 - Schematic of forces applied to a fragment of a chain loop in coordinates O₁X₁Z₁

Для анализа сил, действующих на фрагмент цепного рабочего органа, воспользуемся принципом Даламбера, составив уравнение:

(1)

Реакция R_п определяется конструкционными параметрами рыхлительных зубьев, глубиной h их погружения в почву, а также физико-механическими свойствами почвы [9, 10, 11, 12]. Сила R_п может быть представлена в виде суммы (2) следующих слагаемых: сила сопротивления почвы смятию наконечником зуба R_п1; сила сопротивления почвы сдвигу боковой поверхностью зуба R_п2; сила трения почвы о поверхность зуба R_п3.

(2)

Из анализа кинематики перемещения рыхлительного зуба в почве следует, что глубина его погружения h зависит от координаты φ_п и может быть определена по следующей зависимости:

 (3)

где R – длина рыхлительного зуба, м; φ_п – угловая координата перемещения зуба, град.; а – максимальная глубина проникания рыхлительного зуба в почву, м.

При известной h слагаемые формулы (2) могут быть рассчитаны следующим образом:

(4)

где d_з – диаметр поперечного сечения рыхлительного зуба, м; H – твердость почвы, Н/м²; β – угол заострения рыхлительного зуба, град; γ – угол трения почвы о сталь, град.

(5)

где τ – предельное напряжение почвы сдвигу, H/м².

 (6)

где f – коэффициент трения почвы о поверхность зуба; ρ – плотность почвы, кг/м³; V – скорость перемещения рыхлительного зуба, м/с.

Составляющая P_f тягового сопротивления (рисунок 3), обусловленная действием силы тяжести изменяется знакопеременно и зависит от положения центра масс O_c фрагмента. Данную силу можно определить по формуле:

 (7)

 Сила инерции P_и определяется по известной формуле:

(8)

где m – масса фрагмента цепного шлейфа, кг (m=4,0 кг); W₀ – ускорение, м/с².

Следует отметить, что скорость V и ускорение W₀ определяются на основании анализа кинематики перемещения цепного рабочего органа и зависят от координаты φ_п, длины рыхлительных зубьев R, и скорости движения агрегата v_а.

Таким образом величину тягового сопротивления выделенного фрагмента в проекциях на оси системы координат O₁X₁Y₁ можно представить следующим образом:

.  (9)

_{Анализируя перемещение фрагмента цепного рабочего органа в ходе технологического процесса можно отметить, что при определенных углах φп к величине тягового сопротивления (9) дополнительно добавятся величины усилий, действующие на рыхлительные зубья соседнего звена, на разных стадиях их взаимодействия с почвой. Так в случае, когда зуб «1» проникает в почву, зуб «2» выглубляется из нее, далее, когда зуб «1» начинает выглубляться из почвы, зуб «3» проникает в почву (рисунок 4).}

Рис. 4 – Схема перемещение фрагмента зубоцепного рабочего органа

 

Fig. 4 - Schematic diagram of moving a fragment of a gear working element

Исходя из схемы (рисунок 4) величина тягового сопротивления фрагмента цепного рабочего органа может быть определена по формуле:

(10)

где P_п(н) – дополнительное усилие, возникающее во время выглубления рыхлительного зуба соседнего звена, Н; P_п(к) – дополнительное усилие, возникающее во время заглубления рыхлительного зуба соседнего звена, Н.

Слагаемые P_п(н) и P_п(к) определяются по зависимостям (11) и (12):

(11)

(12)

Принимая во внимание, то что цепной рабочий орган на бороне находится под некоторым углом α к направлению движения, рассмотрим следующую схему (рисунок 5).

Рис. 5 – Схема сил, приложенных к фрагменту цепного шлейфа

 

Fig. 5 - Schematic of forces applied to a fragment of a chain loop

Спроецируем силы (1), действующие на фрагмент цепного шлейфа на оси системы координат OXYZ (рисунок 5), получим следующую систему:

 (13)

В системе  OXYZ величину тягового сопротивления выделенного фрагмента P_тяг можно представить следующим образом:

• проекция на ось ОХ:

 (14)

• проекция на ось ОY:

 (15)

Составляющая P_{тяг Х} определяет величину тягового сопротивления фрагмента цепного рабочего органа. Задавшись основными конструкционными параметрами представим графически характер изменения усилия P_{тяг Х} в зависимости от координаты φ_п , при угле α=45^o (рисунок 6).

 

Рис. 6 - Изменение тягового сопротивления P_тягX фрагмента зубоцепного рабочего органа от угла φ_п при α=45^o (при d_з=0,020 м, R=0,15 м, а=0,04 м)

 

Fig. 6 - Variation of traction resistance Р_тягХ of a fragment of a working body from the angle φ_n at α=45^o (d_з=0,020 m, R=0,15 m, a=0,04 m)

 

Из полученного графика можно отметить, что величина P_{тяг Х} в значительной степени варьируется от угла φ_п, в данном случае пиковые значения (до 80 Н) обусловлено моментом заглубления рыхлительного зуба в почву.

Величину тягового сопротивления бороны в данном случае можно определить по следующей зависимости:

(16)

где G_Б – вес бороны без рабочих органов, Н; f_Б – коэффициент сопротивления перекатыванию; n – общее количество фрагментов на цепных рабочих органах бороны, шт.

Экспериментальные исследования по оценке тягового сопротивления цепной бороны с разработанными рабочими органами проведены при выполнении операции мульчирования. В ходе лабораторно-полевых экспериментов использовалась разработанная широкозахватная цепная борона шириной захвата 18,0 м, оснащённая экспериментальным цепным рабочим органом в агрегате с трактором К-744Р3 (рисунок 7), и тензоизмерительное оборудование, включающее тензозвено 7,0 тс, а также измерительно-вычислительный комплекс MIC-200 (рисунок 8).

Рис. 7 – Машинно-тракторный агрегат с экспериментальной цепной бороной

 

Fig. 7 - Tractor-machine unit with experimental chain harrow

 

Рис. 8 – Тензоизмерительное оборудование: а – тензозвено 7 тс; б – измерительно-вычислительный комплекс MIC-200

 

Fig. 8 - Load measuring equipment: a - strain gauge 7 tf; b - measuring and computing complex MIC-200

На выбранном участке в соответствии с ГОСТ были определены условия проведения эксперимента. Тяговое сопротивление экспериментальной бороны определялось при трех значениях рабочей скорости: 15, 18 и 21 км/ч. Эксперимент включал в себя два этапа, на первом, при указанных значениях рабочей скорости, оценивалось тяговое сопротивление бороны без рабочих органов G_Бf_Б, на втором этапе производилась оценка величины тягового сопротивления бороны R_агр в рабочем положении, непосредственно при мульчировании почвы. Данная схема эксперимента позволила определить при известном весе бороны величину коэффициента сопротивления перекатыванию f_Б, в соответствии с формулой (16). Ценные шлейфы обоих рядов были установлены под углом α=45^o, передний ряд вразвал, задний ряд всвал. Одновременно при определении величины тягового сопротивления оценивалось буксование движителей трактора. Также определялась глубина обработки почвы после прохода машины.

 

Результаты и обсуждение

Условия проведения эксперимента представлены в таблице 1.

 

Таблица 1.  Условие проведения эксперимента

Table 1.  Experimental condition

Показатель	Значение
Вид работ	мульчирование почвы
Тип почвы и название по механическому составу	обыкновенный чернозем, тяжелый суглинок
Влажность почвы в слое, % 0 – 5 см 5 – 10 см	11 19
Твердость почвы по слоям, МПа 0 – 5 см 5 – 10 см	1,03 1,25
Предшествующая обработка	уборка зерновых с измельчением и распределением соломы по полю

Усредненные показатели, полученные в ходе энергетической оценки работы агрегата с экспериментальной бороной, представлены на рисунке 9.

Рис.9 – Зависимость тягового сопротивления бороны без рабочих органов G_Бf_Б,  в рабочем положении R_агр и буксования δ от скорости движения агрегата v_а

 

Fig.9 - Dependence of traction resistance of harrow without working elements G_Бf_Б, in working position R_агр and slipping δ on machine speed v_а

 

Экспериментально установлено, что при увеличении рабочей скорости агрегата с 15 до 21 км/ч наблюдается прирост величины тягового сопротивления с 26,2 до 32,3 кН. Однако следует обратить внимание, что с увеличением скорости на участке от 18 до 21 км/ч интенсивность прироста тягового сопротивления заметно снижается. Данный эффект можно объяснить тем, что при повышении скорости бороны снижается средняя глубина обработки почвы с 4,0 до 3,6 см. Учитывая выявленное обстоятельство в качестве основной скорости при мульчировании почвы можно рекомендовать величину равную 18 км/ч.

Буксование движителей трактора на рассматриваемых режимах, в виду невысокой энергоемкости технологической операции, не превышает 3%. Коэффициент сопротивления перекатыванию, выявленный при протаскивании бороны без цепных шлейфов, составил 0,106…0,115 при скоростях движения 18 и 21 км/ч соответственно.

Расхождение теоретических и экспериментальных данных по величине тягового сопротивления не превышает 9 %. В данном случае расхождение обуславливается снижением интенсивности увеличение тягового сопротивления при рабочей скорости равной 21 км/ч (рисунок 10).

Рис. 10 – Зависимость тягового сопротивления R_агр от рабочей скорости

Fig. 10 - Dependence of traction resistance R_агр on operating speed

 

Выводы

 

Получены математические зависимости, позволяющие определить величину тягового сопротивления цепного рабочего органа с «центральным» расположением рыхлительных зубьев в зависимости от конструкционных параметров. Выявлено, что тяговое сопротивление цепного рабочего органа определяется физико-механическими свойствами почвы, конструкционными параметрами рыхлительных зубьев (диаметр поперечного сечения, длина и угол заострения зуба).

На основании лабораторно-полевых экспериментов с широкозахватной цепной бороной, оснащенной усовершенствованными рабочими органами, установлено, что при изменении рабочей скорости агрегата с 15,0 до 21,0 км/ч тяговое сопротивление возрастает с 26,2 до 32,3 кН. Причем на скорости 21,0 км/ч отмечается снижение средней глубины обработки почвы с 4,0 до 3,6 см. На основании проведенных исследований можно рекомендовать в качестве основной рабочей скорости величину равную 18,0 км/ч.

 

作者简介

Sergey Shepelev

South Ural State Agrarian University

Email: nich@sursau.ru
ORCID iD: 0000-0003-2578-2005
SPIN 代码: 4848-4782

Professor, Dr. Sci. (Engineering), Vice-Rector for Research and Innovation

俄罗斯联邦, Chelyabinsk

Maxim Pyataev

Federal State Budgetary Educational Institution of
Higher Education «South Ural State Agrarian University»

Email: 555maxim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6570-5384
俄罗斯联邦

Anton Zyryanov

457103, Челябинская область, г. Троицк, ул. им. Ю.А. Гагарина, дом 13

Email: mtp-chgaa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8059-0642
SPIN 代码: 7411-0390
Scopus 作者 ID: 57220187452

Associate Professor, Department “Operation of machine and tractor fleet, and technology and mechanization of animal husbandry”

俄罗斯联邦, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «South Ural State Agrarian University»

Аlexander Shepelev

Federal State Budgetary Educational Institution of
Higher Education «South Ural State Agrarian University»

编辑信件的主要联系方式.
Email: AlShep@ya.ru
SPIN 代码: 8846-1707

Engineer, Department of Machine and Tractor Park Operation, and Technology and Mechanization of Animal Husbandry

俄罗斯联邦, 457103, Челябинская область, г. Троицк, ул. им. Ю.А. Гагарина, дом 13

参考

补充文件