Research of new working organs for graded subsurface tillage in arid conditions of the South of Russia

Full Text

Разработка новых рабочих органов основывается на результатах моделирования их взаимодействия с обрабатываемой средой, выполняемого с помощью различных методов [1], адекватность которого проверяется экспериментальными исследованиями. На основании результатов проведенных исследований [2-5] разработаны несколько вариантов рабочих органов для послойной обработки почвы, основанных на прототипе КАО-2. В состав каждого рабочего органа (рис. 1) входит стойка, на которую установлены долото для глубокого рыхления и один из вариантов элементов для мелкого рыхления: эллиптический рыхлитель, плоскорезная лапа с переменным углом резания или стрельчатая лапа [6-8]. Проведена оценка энергетических показателей разработанных вариантов рабочих органов с определением их тяговых сопротивлений и сравнением с прототипом. Для оценки использована лабораторная установка, позволяющая имитировать реальный процесс работы. Лабораторная установка (рис. 2) включает раму с опорными колесами, выполненными с возможностью регулировки заглубления рабочих органов. На раме установлен впереди идущий рабочий орган прототипа КАО-2, который подготавливает почву для испытуемого рабочего органа. Последний установлен на подвижной раме, соединенной с основной измерительным элементом - тензозвеном. Тензозвено посредством подключения к аппаратуре, считывающей и преобразующей сигналы, передает данные в электронный блок управления, с которого они поступают на персональный компьютер. Энергетические показатели разработанных рабочих органов определялись на различных фонах (черный пар, стерня зерновых) с различными скоростями движения и глубиной обработки почвы. Полученные данные представлены на рис. 3 в виде обобщающих графиков зависимости тяговых сопротивлений рабочих органов от скорости агрегата. Прямолинейность функциональной зависимости тягового сопротивления от скорости подтверждается коэффициентом корреляции, близким к единице. Анализ экспериментальных данных позволил установить, что при данных условиях наибольшее тяговое сопротивление имеет рабочий орган со стрельчатой лапой. Увеличение тягового сопротивления этого рабочего органа по сравнению с прототипом обусловлено характером резания в блокированной среде, поскольку лапа движется в неразрушенном пласте почвы. Наименьшим тяговым сопротивлением по сравнению с аналогами обладает рабочий орган с эллиптическим рыхлителем. Его тяговое сопротивление на 10% больше, чем у прототипа, что обусловлено введением в конструкцию дополнительного элемента. У рабочего органа с плоскорезной лапой с переменным углом резания тяговое сопротивление повышается по сравнению с эллиптическим рыхлителем, что объясняется наличием в конструкции прямолинейной режущей кромки. Однако возникающие при его функционировании деформации изгиба за счет переменного угла резания способствуют некоторому снижению тягового сопротивления по сравнению с плоскорезной лапой. Сравнение рабочего органа с эллиптическим рыхлителем и прототипа свидетельствует о том, что их тяговые сопротивления изменяются незначительно (в пределах ошибки опыта). Рабочий орган с эллиптическим рыхлителем обеспечивает наилучшее качество послойной безотвальной обработки почвы [9], и его применение экономически наиболее целесообразно [10, 11]. Анализ агротехнических показателей новых рабочих органов свидетельствует о том, что они качественно выполняют заданный технологический процесс в соответствии с агротребованиями. Отклонение глубины обработки почвы от заданной находится в пределах нормы (до 10%). Гребнистость не превышает допускаемой (до 30% от глубины обработки). В обработанном слое почвы преобладают фракции размером до 50 мм, что соответствует агротребованиям (60% и более). После прохода новых рабочих органов содержание эрозионно опасных частиц в поверхностном слое уменьшается. Сравнительный анализ агротехнических показателей позволяет выделить рабочий орган с эллиптическим рыхлителем как обеспечивающий наиболее качественную послойную обработку почвы. Крошение и гребнистость верхнего слоя после прохода эллиптического рыхлителя соответствуют требованиям, предъявляемым к рабочим органам не только для глубокого рыхления, но и для мелкой обработки (более 75% фракций размером до 25 мм, глубина борозд до 3 см). При использовании рабочего органа с эллиптическим рыхлителем также наблюдается резкое снижение содержания эрозионно опасных частиц в поверхностном слое почвы (до 22%). Это можно объяснить известным свойством эллипса - сходимостью лучей после отражения из одного фокуса в другой. При движении агрегата поток почвы, отталкиваясь при соударении с поверхностью рабочего органа, перемещается из одного фокуса эллипса в другой. При этом наблюдается дополнительное крошение и некоторая сепарация слоя с вынесением на поверхность более прочных макроагрегатов почвы и просыпанием в щели между ними эрозионно опасных частиц, которые остаются внутри пласта. Сравнительная визуальная оценка фона после послойной обработки разными рабочими органами дает наглядное представление о преимуществе эллиптического рыхлителя (рис. 4). Наилучшее качество обработки стерневого фона обеспечивает рабочий орган с плоскорезной лапой с переменным углом резания. Это подтверждается более высоким процентом сохранения пожнивных остатков на поверхности поля после его прохода по сравнению с другими рабочими органами, которые при этом выполняют агротехнические требования (не менее 60%). Это можно объяснить конструкционными особенностями рабочего органа: подвижные элементы плоскорезной лапы не только обеспечивают переменный угол резания, устанавливаясь под углом естественного скола почвы в положении, соответствующем наименьшему сопротивлению, но и сепарируют слой с подрезанными пожнивными остатками, оставляя на поверхности более легкую стерневую фракцию. Сравнение разработанных рабочих органов с прототипом позволяет утверждать, что они не только не уступают ему по качеству обработки почвы, но и по отдельным показателям превосходят его. Это относится прежде всего к степени крошения пласта и уменьшению содержания эрозионно опасных частиц в верхнем слое почвы. Исключение составляет рабочий орган со стрельчатой лапой, который соответствует агротребованиям, однако обеспечивает худшее качество работы, чем прототип. Его конструкция требует доработки, в результате которой планируется уменьшение гребнистости поверхности почвы и улучшение качества крошения пласта. Проведенные исследования по определению физических свойств почвы после обработки рабочим органом с эллиптическим рыхлителем (рис. 5) подтверждают предположение о создании им различных слоев почвы. Таким образом, рабочий орган соответствует назначению и выполняет послойную обработку почвы с уплотненным до 1,09-1,1 г/см3 влагосберегающим слоем на глубине 10-20 см, который уменьшает процесс конвекции и препятствует перемещению парообразной и пленочной влаги из нижнего слоя, способствуя ее накоплению. Выводы 1. Анализ экспериментальных данных показывает, что тяговые сопротивления рабочих органов возрастают с увеличением скорости агрегата. С увеличением глубины обработки почвы интенсивность влияния скорости на тяговое сопротивление проявляется сильнее. Наименьшие затраты энергии отмечаются у рабочего органа с эллиптическим рыхлителем. 2. Установлено, что новые рабочие органы выполняют влагосберегающую послойную обработку почвы с созданием различных по составу, плотности и пористости слоев.

About the authors

G. G Parkhomenko

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

I. V Bozhko

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

Email: i.v.bozhko@mail.ru

A. V Gromakov

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

V. A Maksimenko

North Caucasus Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification

References

Supplementary files