Tillage unit for subsidiary farms



Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

BACKGROUND: In a market economy, farms are the main alternative for rural development. One of the conditions for obtaining a good harvest is high-quality soil cultivation. A feature of farms is their small size. Therefore, to mechanize the processes of cultivating agricultural crops, it is necessary to use small-sized power equipment.

AIM: Develop a small-sized traction and transport vehicle for primary soil cultivation in small subsidiary farms and determine its traction indicators.

MATERIALS AND METHODS: A design of a small-sized soil-cultivating unit based on a walk-behind tractor has been developed. The proposed small-scale mechanization tool is driven by a motorcycle engine and is equipped with combined working tools: a cutter is located in the front, and a disk battery is at the back. A power analysis was carried out to assess the energy consumption of the proposed unit.

RESULTS: As a result, the power costs for the resistance of the cutter and disk working bodies were determined. The dependencies of the total traction resistance on the speed of the unit and the depth of soil cultivation were obtained.

CONCLUSION: As a result, the operability of the proposed unit for primary soil cultivation in small farms has been confirmed.

Full Text

Обоснование

Определение крестьянского (фермерского) хозяйства дано в Федеральном законе №74-ФЗ от 11.06.2003 и представляет собой объединение граждан, связанных родством или общей собственностью и совместно осуществляющих производственную или иную хозяйственную деятельность (производство, переработку, хранение, транспортировку и реализацию сельскохозяйственной продукции), основанную на личном подсобном хозяйстве [1].

В условиях рыночной экономики фермерские хозяйства представляют собой основную альтернативу развития села [2]. Их отличительной чертой является возделывание небольших участков земли, расположенных вблизи от жилья и предназначенных для выращивания овощей, фруктов, ягод и других культурных растений. Владельцы (фермеры) этих участков производят необходимый уход для повышения и сохранения урожая: обработка почвы, ее удобрение, борьба с вредителями и т.д.

Одним из основных фактором получения хорошего урожая является правильная обработка почвы. Обработка почвы обеспечивает растениям необходимый тепловой и водно-воздушный режим [3], снижает риск заражения болезнями посевного слоя [4] и уничтожает сорную растительность [5].

Использование современных технологий предусматривает использование различного рода транспортно-технологических средств и комплексов, одним из негативных воздействий которых является уплотняющее воздействие их движителей на почву [6]. Для снижения уплотняющего воздействия на почву необходимо уменьшить количество проходов техники по посевной площадки за счет использования комбинированных агрегатов, позволяющих совмещать сразу несколько операций за один проход [7].

Учитывая небольшие, как правило, размеры фермерских хозяйств, для механизации процессов при возделывании сельскохозяйственных культур рекомендуется использовать малогабаритные энергетические средства [8].

Цель

Разработать малогабаритное тягово-транспортное средство для основной обработки почвы в условиях малых подсобных хозяйств и определить его тяговые показатели

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основная обработка почвы при возделывании сельскохозяйственных культур должна включать в себя операцию фрезерования и дополнительное крошение пласта с измельчением корневой части сорной органики посредством дисковых рабочих органов [9, 10]. Для обработки почвы в малых фермерских хозяйствах нами предложен малогабаритный агрегат (Рис. 1).

В качестве основного транспортного средства предлагается использовать прицеп 2, на котором расположено подрессоренное сидение оператора 9 и все необходимые рычаги управления 8 (руль, рычаг сцепления и рычаг переключения передач). Впереди прицепа, с помощью кронштейна 4, крепится подмоторная рама 1 от мотоблока, на которой размещен двигатель от мотоцикла Восход-3М с коробкой передач 6 и топливным баком 7. Сзади прицепа посредством кронштейна 5 крепится заднее рабочее орудие, представляющее собой дисковую батарею 3.

При выполнении операции фрезерования и обработки дисковыми рабочими органами (после уборки предшествующих культур) колеса мотоблока снимаются и вместо них монтируются фрезерные рабочие органы 10. После проверки работы двигателя (на холостом ходу) включают первую передачу и фиксируют рычаг сцепления. После чего вращение передается от коробки переключения передач через трансмиссию к рабочему валу с закрепленными на нем почвообратывающими фрезами 10. Колеса прицепа 11 фиксируются на высоте согласно глубине обработки дисковой батареей 3.

В результате фрезерования почвы осуществляется интенсивное рыхление и перемешивание плодородного слоя. Дополнительно вращение фрезы 10 обеспечивает перемещение агрегата вместе с прицепом 2 и блоком дисковой батареи 3. Диски 3 дополнительно разрезают и измельчают корневую часть сорной органики [11, 12].

В настоящее время наиболее широкое распространение получили фрезерные рабочие органы с горизонтальной осью вращения [13]. Возможность вращения рабочих органов от механизма привода, даёт нам право рассматривать их как активные роторные рабочие органы. В исследуемом агрегате, отрезание почвенной стружки ножом фрезы начинается от поверхности поля, что соответствует прямому вращению ротора. Для рационального использования ротационных рабочих органов, необходимо определить параметры, влияющие на энергоемкость агрегата [14].

Параметры дисковых рабочих органов и отрезаемого ими пласта почвы оказывают непосредственное влияние на качественные и энергетические показатели при обработке почвы [15]. Поэтому необходимо определить наиболее рациональные параметры разработанного агрегата для обеспечения наименьших энергозатрат при выполнении необходимых работ по обработке почвы.

Результаты исследования

Определим тяговое сопротивление на фрезерных рабочих органах. Мощность фрезерного агрегата затрачивается на: преодоление постоянных сопротивлений , на отрезание почвенных стружек  и на отбрасывание почвы

Мощность постоянных сопротивлений включает в себя потери в системе привода ротационного механизма и равна  кВт. Мощность на отрезание почвенных стружек определяется [16]

где  – скорость движения фрезерного агрегата (для ручной мототехники  м/с);  м – длина дуги резания, зависящая от кинематических параметров фрезы (угла начала резания и высоты гребня в поперечной плоскости);  – число фрез в стандартном исполнении агрегата;  кН/м – удельное сопротивление почвы резанию;  м – толщина почвенной стружки;  м – длина лезвия крыла ножа;  кПа – удельное сопротивление почвы деформации;  м3 – проекция лезвия ножа на фронтальную плоскость;  м – путь, пройденный фрезой от момента начала резания первым ножом диска фрезы до момента начала резания вторым ножом.

Мощность на отбрасывание почвы равна

где  Н/м3 – плотность обрабатываемого пласта почвы;  м – ширина захвата ротора;  м – глубина обработки;  – коэффициент отбрасывания почвы;  – кинематический параметр ротора.

С другой стороны мощность определяется усилием сопротивления фрезы  (Н):

что позволяет получить выражение для расчета силы сопротивления фрезы

Согласно формуле (5) сила сопротивления на фрезе  зависит от скорости движения агрегата  и глубины обработки почвы  (Рис. 2).

Данная зависимость  легко описывается полиномом второй степени (Рис. 3)

Тяговое сопротивление дискового почвообрабатывающего рабочего органа зависит в основном от его геометрических параметров [17]

где  Н – вес дисковой бороны;  – коэффициент;  – задний угол резания;  – угол скоса лезвия с направлением движения;  – коэффициент трения;  – глубина обработки почвы;  м – ширина почвенного пласта;  кН/м – коэффициент сопротивления почвы;  – коэффициент скоростного сопротивления, зависящий от свойств почвы и геометрической формы поверхностей рабочих органов;  – поступательная скорость;  м – длина почвенного пласта;  Н/м3 – объемный вес почвы;  – угол крошения;  м/с2 – ускорение свободного падения.

Cила сопротивления почвы на дисковом рабочем органе практически не зависит от скорости движения (Рис. 4).

Тогда суммарное тяговое сопротивление агрегата  определяется [18]

где  Н – вес агрегата.

Зависимость суммарного тягового сопротивления от скорости движения агрегата  представлена на Рис. 5

Зависимость тягового сопротивления агрегата от скорости движения и глубины обработки может быть описана полиномом второй степени (Рис. 6)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований на базе мотоблока было разработано малогабаритное транспортное средство для механизации основных сельскохозяйственных операций для обработки в малых фермерских хозяйствах. Данный агрегат позволяет проводить основную обработку почвы путем фрезерования с одновременным разрыхлением дисковыми рабочими органами.

Дополнительно проведен тягово-мощностной расчет, позволяющий определить требуемую мощность в зависимости от скорости движения агрегата и глубины обработки почвы.

×

About the authors

Boris F. Tarasenko

Kuban State Agrarian University

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

Associate Professor, Dr. Sci. (Engineering),

Professor of the Department of Tractors, Automobiles and Technical Mechanics

Russian Federation, 13 Kalinina Street, Krasnodar, 350044

Viktor А. Drobot

Kuban State Agrarian University

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

Associate Professor, Cand. Sci. (Engineering),

Head of the Department of Strength of Materials

13 Kalinina Street, Krasnodar, 350044

Eric Khav’yarimana

Kuban State Agrarian University

Email: donsergio38@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-3746-8359

Postgraduate student of the Department of Tractors, Automobiles and Technical Mechanics;

Burundi, 13 Kalinina Street, Krasnodar, 350044

Irina P Troyanovskaya

South Ural State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: tripav63@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2763-0515
SPIN-code: 6845-7532

professor, Dr. Sci. (Engineering), 

professor of the Department of Tractors, Agricultural Machines and Agriculture

 

Russian Federation, 13 Gagarina Street, Troitsk, 457103

Sergey А Voinash

Kazan Federal University

Email: sergey_voi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5239-9883
SPIN-code: 9532-4604

Junior Researcher;

Kazan Federal University, Intelligent Mobility Research Laboratory;

 

Russian Federation, 18 Kremlevskaya Street, Kazan, 420008

Alexandra А Orekhovskaya

Belgorod State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8149-7191

Cand. Sci. (Agricultural);

Head of the Department for work with grants and Scientific and Educational Centers

Russian Federation, 1 Vavilova Street, Maysky, 308503

References

  1. Putin V.V. On peasant (farm) economy. Federal Law of the Russian Federation. No. 74-FZ. Dated. 2003.06.11 (in Russ.)
  2. Mukhamatullina Z.I. Farming: advantages and disadvantages. Current problems and prospects for economic development: Russian and foreign experience. 2021. vol. 5 (37). pp. 58-60. EDN: ZTTJPE (in Russ)
  3. Blednykh V.V. et al. Calculation model of technological process of soil crumbling by means of tillage working organs. Tractors and agricultural machinery. 2016. vol. pp.22–26. EDN: VPWKTH (in Russ)
  4. Syromyatnikov Yu. et al. Influence of Cultivation Technology on the Yield of Winter Wheat. E3S Web of Conferences. 2023. vol. 443, no. 02001. doi: 10.1051/e3sconf/202344302001.
  5. Drobot V.A., Brusentsov A.S. Agromeliorative techniques for surface soil cultivation. Year of Science and Technology 2021. 2021. pp. 252. EDN: IGOQKS (in Russ)
  6. Kokieva G.Е. et al. Research of Soil Compaction Process in Area of Contact with a Wheel Mover. Journal of Physics: Conference Series. 2021. vol. 2094. no. 042003. doi: 10.1088/1742-6596/2094/4/042003
  7. Yudina E.M. et al. Prospects for the creation of domestic combined units for soil cultivation. News of the Velikiye Luki State Agricultural Academy. 2015. vol. 1. pp. 46-50. EDN: TNVQHD (in Russ)
  8. Pozin B.M. et al. Efficiency of the transport unit on the basis of the tractor "Uralets". Mechanization and electrification of agriculture. 2015. vol. 7. pp.22–26. EDN: URVKPL (in Russ)
  9. Tarasenko B.F. et al. Field testing of a disk-chisel harrow. Tractors and agricultural machinery. 2023. vol. 90(3). pp. 225-232. doi: 10.17816/0321-4443-229490 (in Russ)
  10. Syromyatnikov Yu. et al. Chisel Tillage under Spring Barley in the Forest-Steppe. Acta Technologica Agriculturae. 2024. vol. 27(1). pp. 30-34. doi: 10.2478/ata-2024-0005
  11. Tarasenko B.F. et al. Soil cultivating with a tiller with v-shaped knives. Tractors and agricultural machinery. 2023. vol. 90(4). pp. 307-314. doi: 10.17816/0321-4443-254888 (in Russ)
  12. Troyanovskaya I.P. et al. Experimental tests of industrial-scale ripping of soil. Gornyi Zhurnal. 2021. № 5. pp. 87-90. doi: 10.17580/gzh.2021.05.11 (in Russ)
  13. Tarasenko B.F. et al. Research and Development of a Combined Unit for Tillage with a Layer Turnover. Journal of Terramechanics. 2022. vol. 99. pp. 29-33. doi: 10.1016/j.jterra.2021.11.002
  14. Syromyatnikov Yu. et al. Transporting Ability Calculation of the Rotor of Soil-Cultivating Loosening and Separating Vehicle. Acta Technologica Agriculturae. 2022. vol. 2. pp. 73-78. doi: 10.2478/ata-2022-0012
  15. Syromyatnikov Yu. et al. Selection of Parameters of the Disc Working Bodies of the Ripping-Separating Machine for Soil Treatment. Journal of Terramechanics. 2023. vol. 108, pp. 1-5. doi: 10.1016/j.jterra.2023.03.005
  16. Kanarev F.M. Power of an electric pulse. Energy supply and energy saving in agriculture. 2006. vol. 1. pp. 224-229. EDN: PHHCKD (in Russ)
  17. Drobot V.A., Tsybulevsky V.V. Optimization of the parameters of the process of surface soil cultivation with horizontally located disk working bodies. Proceedings of the Kuban State Agrarian University. 2010. vol. 23. pp. 181-186. EDN: MSOQVN (in Russ)
  18. Pozin B.M., Troyanovskaya I.P. Tractor traction characteristics (Theory basics and calculation). Chelyabinsk. 2016. pp. 84. EDN: WIGYTP (in Russ)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) Eco-Vector

License URL: https://eco-vector.com/for_authors.php#07
 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.