Determination of the specific soil resistance using deep subsurface tillage in conditions of Northern Kazakhstan

Abstract

The paper proposes a method for determining specific soil resistance and presents the results of the conducted research. One of the main limiting factors in determining the working width of the tillage implement is specific soil resistance. This indicator is a quantitative characteristic of the labor intensity of soil tillage. Therefore, when designing new machinery, it is necessary to have reliable data on its value. The data presented in the scientific literature on the value of specific soil resistance are average and do not take into account the parameters of tillage working tools. Therefore, the determination of specific soil resistance for working tools with known parameters is the current topic of scientific research. The purpose of the research is to determine the value of specific soil resistance for working tools with known parameters. The research method consists of the experimental determination of the total draft resistance of the tillage implement and further mathematical processing of the experimental data obtained on the basis of the rational formula of V.P. Goryachkin. To conduct experimental research, a laboratory unit was developed, the design of which eliminates the impact of its weight on the draft resistance, arising from the friction between the parts of the working tool and soil. It was found that for the soils under consideration, which are typical for Northern Kazakhstan, the specific soil resistance is k = 45908 N/m2. The obtained coefficient of variation υ < 10 % indicates a slight change in the considered variation. Therefore, the obtained value of the specific soil resistance is reliable. The results obtained will be used to substantiate the working width of the tillage implement with the working tools under consideration.

Full Text

Введение В настоящее время обязательным элементом многих технологий, применяемых в сельском хозяйстве, является глубокая механическая обработка почвы. Для регионов, почвы которых подвержены ветровой эрозии, таких как Северный Казахстан [1], - это глубокая безотвальная обработка [2]. Востребованность данной технологической операции объясняется необходимостью периодического разуплотнения почвенного слоя, особенно на почвах с тяжелым механическим составом и низким содержанием гумуса, что также характерно для Северного Казахстана [3]. С другой стороны из всех технологических операций глубокая обработка является наиболее энергоемкой. Так, в странах ЕАЭС ежегодно на почвообработку расходуется не менее 40 % всех энергетических затрат и не менее 25 % трудовых затрат [4]. Учитывая данное обстоятельство, выбор технических средств для механизации данной операции должен быть научно обоснован. В соответствии с теорией В.П. Горячкина [5] общее тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия (Ртяг, Н) состоит из трех компонентов и описывается следующей математической моделью: Pтяг = Р1 + Р2 + Р3 = G · f + k · a · Bp + + ρ · a · Bp · , (1) где Р1 - сопротивление, возникающее при трении почвообрабатывающей машины о почву, Н; Р2 - сопротивление, возникающее при разрушении почвенного слоя, Н; Р3 - сопротивление, возникающее при перемещении почвенного слоя, Н; G - общий вес почвообрабатывающего орудия, Н; f - коэффициент трения почвы; k - удельное сопротивление почвы, Н/м2; a - глубина обработки, м; Bp - ширина захвата почвообрабатывающего орудия, м; ρ - плотность почвы, кг/м3; Vp - поступательная скорость движения почвообрабатывающего орудия, м/с. Достоверность данной математической модели была неоднократно подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований [6-9]. Структура общего тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия для глубокой обработки почвы на ограниченном агротехническими требованиями интервале скорости до 10 км/ч [10] будет иметь следующий вид (рис. 1). Рис. 1. Структура общего тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия Как видно из рис. 1, не менее 70 % от общего тягового сопротивления приходится на сопротивление, возникающее при деформации и разрушении почвенного слоя Р2. Сопротивление Р2 в соответствии с формулой (2) представляет функциональную зависимость от удельного сопротивления почвы (показатель трудности обработки почвы), глубины обработки и ширины захвата: Р2 = f (k, a, Bp), (2) Следовательно, три указанных параметра будут оказывать наибольшее влияние на значение общего тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия. Данное утверждение находит подтверждение в работах других исследователей. Например, исследователями из Sari Agricultural and Natural Resources University [11] установлено, что перечисленные показатели оказывают наибольшее влияние на тяговое сопротивление почвообрабатывающего орудия. Удельное сопротивление почвы зависит не только от ее физико-механических свойств (влажность, плотность, твердость, механический состав и др.), повлиять на которые достаточно сложно либо невозможно, но и от параметров рабочего органа [12]. Глубина обработки, также как и скорость движения, имеет очень узкий предел варьирования, который зависит от агротехнических требований. Глубокая обработка почвы должна проводиться на глубину, превышающую глубину залегания плужной подошвы не менее чем на 5 см. В условиях Северного Казахстана наибольший эффект от глубокой обработки почвы достигается при глубине a = 0,25-0,27 м [13]. Ширина захвата в этом случае остается именно тем параметром, которым можно регулировать величину тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия в зависимости от тяговых возможностей энергетического средства. С другой стороны, чрезмерное уменьшение ширины захвата почвообрабатывающего орудия негативно скажется на его производительности, удельных энергетических затратах и, как следствие, экономической эффективности, поскольку между этими параметрами имеется прямая зависимость. Следовательно, при определении ширины захвата почвообрабатывающего орудия необходимо иметь достоверные данные о величине удельного сопротивления почвы, чтобы обеспечить максимальный экономический эффект в имеющихся условиях. В научной литературе, например в работах [5, 12], представлены данные о величине указанного показателя для различных типов почв. Однако они имеет усредненный характер и не учитывают параметров почвообрабатывающих рабочих органов (углы установки долота и лемехов, угол раствора). Последние, в свою очередь, оказывают влияние на величину удельного сопротивления. Поэтому определение удельного сопротивления почвы для рабочих органов с известными параметрами является актуальной задачей, имеющей научную и практическую значимость. Цель исследований Определение величины удельного сопротивления почвы для почвообрабатывающих рабочих органов с известными параметрами. Материалы и методы Методика экспериментальных исследований Экспериментальные исследования проводились в осенний период на стерневом поле, где в течение 8 лет не осуществлялась глубокая механическая обработка. Перед проведением экспериментальных исследований были определены физико-механические показатели почвы: влажность, плотность и твердость. Методика определения перечисленных показателей соответствовала ГОСТ 20915-2011. При проведении экспериментальных исследований использовалась лабораторная установка (рис. 2) и варианты плоскорежущих рабочих органов с шириной захвата 0,6-1,0 м, углы установки долота и лемехов ко дну борозды составляли 27-31 градус (рис. 3). Параметры плоскорежущих рабочих органов были определены в результате проведенных ранее теоретических и экспериментальных исследований [14]. На рабочие органы были установлены новые лезвия с толщиной режущей кромки 2,0-2,5 мм. Затылочные фаски на лезвиях отсутствуют. Лабораторная установка в рабочем положении помимо прицепного устройства имеет 4 точки опоры (металлические опорные колеса), расположенные на каждом углу рамы. Такая конструктивная схема позволила исключить влияние веса лабораторной установки на тяговое сопротивление, возникающее при трении элементов рабочего органа о почву. В этом случае сопротивление P1 можно представить в следующем виде: P1 = G · f = Go · fк + Gp.o · fc, (3) где Go - вес лабораторной установки, без рабочего органа, Н; fк - коэффициент трения качения стальных колес по почве; Gp.o - вес рабочего органа, Н; fc - коэффициент трения скольжения почвы по стали. Вес лабораторной установки без рабочего органа составлял Go = 1900 Н, вес одного рабочего органа - Gp.o = 650 Н; коэффициент трения качения fк = 0,2, коэффициент трения скольжения fc = 0,3. Коэффициент трения скольжения почвы по стали определен в соответствии с методикой, изложенной в работе [15]. Плоскорежущие рабочие органы поочередно устанавливались на лабораторную установку и протягивались в почве на глубине 0,27 м на нескольких скоростных режимах. При этом фиксировалось общее тяговое сопротивление (Pтяг, Н), создаваемое лабораторной установкой с помощью тензометрического оборудования, которое включало датчик силы растяжения (тензометрическое звено) с диапазоном измерения до 3 т, плиту для установки тензометрического звена (производитель КФ «НПЦ агроинженерии», Казахстан) тензометрической станции ZET017-T8 (производитель ZETLAB, Россия), переносной персональный компьютер Acer Aspire E 15 (производитель Acer, Китай), преобразователь напряжения с 12-220 В Robiton R300 (производитель Robiton, Китай) и соединительных проводов (рис. 4 и 5). Перед проведением испытаний проводилось тарирование тензометрического оборудования на специальном стенде методом ступенчатого нагружения от 0 до 30 кН и обратно, с шагом 2 кН, через динамометр растяжения пружинного типа общего назначения ДПУ-50 второго класса точности (поверка проведена в соответствии с ГОСТ 13782-68). В процессе тарировочных испытаний фиксировались значения нагрузки на динамометре и соответствующие ей показания тезозвена, обработанные тензометрической станцией ZET017-T8 и выведенные на монитор переносного ПК. Повторность опыта четырехкратная. Проведенные тарировочные испытания показали, что на всех ступенях изменения нагрузки погрешность измерений находилась в пределах 0,39-1,96 %. Повторность опыта при проведении экспериментальных исследований трехкратная. Методика определения глубины обработки - в соответствии с ГОСТ 33736-2016. Методика определения скорости движения и общего тягового сопротивления - в соответствии с ГОСТ Р 52777-2007. Методика математической обработки результатов экспериментальных исследований На основании полученных первичных данных проводился расчет удельного сопротивления почвы для каждого варианта. В соответствии с формулами (1) и (4) выразим значение k (Н/м2) через Pтяг (Н): (4) В качестве удельного сопротивления почвы было принято среднеарифметическое значение всех вариантов опыта. Для оценки однородности и устойчивости полученной совокупности значений удельного сопротивления почвы использовался коэффициент вариации, υ. Методика определения в соответствии с положениями статистического анализа данных, изложення в работе А.Ю. Козлова [16]. Результаты и обсуждение Перед проведением экспериментальных исследований были определены физико-механические показатели почвы (табл. 1). В соответствии с методикой были проведены экспериментальные исследования и определены величина удельного сопротивления почвы для каждого варианта опыта в соответствии с формулой (4), а также коэффициент вариации, необходимый для оценки однородности и устойчивости полученной совокупности (табл. 2). Почвенные условия, представленные в табл. 1, являются типичными для полей Северного Казахстана в осенний период, на которых применялись элементы минимальной и нулевой технологий возделывания зерновых культур. Установлено, что для рассматриваемых почв удельное тяговое сопротивление почвы составляет k = 45908 Н/м2. Полученный коэффициент вариации υ < 10 %, что говорит о незначительной изменчивости рассматриваемого вариационного ряда. Следовательно, полученное удельное сопротивление почвы имеет достоверное значение. Проведенные исследования имеют следующий практический результат: - полученное значение удельного сопротивления почвы k (Н/м2) будет использоваться при определении ширины захвата опытного образца орудия для глубокой безотвальной обработки почвы в условиях северного Казахстана; - предложенная методика может использоваться для определения либо уточнения удельного сопротивления почвы для конкретных типов рабочих органов. Заключение Была разработана методика определения удельного сопротивления почвы, состоящая из экспериментального определения общего тягового сопротивления почвообрабатывающего рабочего органа и дальнейшей математической обработки, полученных экспериментальных значений с учетом рациональной формулы В.П. Горячкина. Для проведения экспериментальных исследований была разработана лабораторная установка, позволяющая исключить влияние собственного веса на тяговое сопротивление, возникающее при трении элементов рабочего органа о почву. В результате проведенных исследований определена величина удельного сопротивления типичной для Северного Казахстана почвы, которая составила k = 45908 Н/м2. Установлено, что с увеличением ширины захвата и скорости движения рабочего органа величина удельного сопротивления изменяется незначительно. Отклонение от среднего значения составило не более 10 %. Полученная совокупность значений удельного сопротивления почвы является однородной и устойчивой. Коэффициент вариации равен υ = 7,53 %. Полученные результаты могут быть использованы при обосновании ширины захвата почвообрабатывающего орудия с рассматриваемыми рабочими органами. а б Рис. 2. Лабораторная установка для экспериментального определения удельного тягового сопротивления почвы: а) общий вид; б) вид в работе а б в г Рис. 3. Варианты плоскорежущих рабочих органов: а) 0,6 м; б) 0,8 м; в) 0,9 м; г) 1,0 м а б Рис. 5. Компоненты тензометрического оборудования, установленные на навесную систему трактора: а) общий вид; б) взаимное расположение компонентов тензометрического оборудования, навесной системы трактора и лабораторной установки; 1 - тензометрическое звено; 2 - плита для установки тензометрического звена; 3 - навесная система трактора; 4 - лабораторная установка Рис. 4. Общий вид тензометрического оборудования: 1 - тензометрическое звено; 2 - тензометрическая станция; 3 - переносной ПК; 4 - преобразователь напряжения 12-220 В Таблица ١ Влажность, твердость и плотность почвенных слоев Почвенные слои, см Определяемые показатели: влажность, ٪ твердость, МПа плотность, г/см3 0-5 14,1 1,1 1,1 5-10 14,5 3,0 1,2 10-15 16,6 4,7 1,3 15-20 20,4 5,5 1,3 20-25 18,9 6,1 1,4 25-30 17,6 7,1 1,4 Таблица ٢ Результаты экспериментальных исследований и их математической обработки № п/п Bp, м Vp, м/с a, м Pтяг, Н k, Н/м2 1 2 3 4 5 6 1 0,6 1,9 0,27 9280 48681 2 0,6 2,2 0,27 9810 50230 3 0,6 2,5 0,27 9830 48380 4 0,6 2,8 0,27 10350 49364 5 0,7 1,9 0,27 11290 51639 6 0,7 2,2 0,27 11490 50975 7 0,7 2,5 0,27 11530 49213 8 0,7 2,8 0,27 12000 49474 9 0,8 1,9 0,27 11590 45941 10 0,8 2,2 0,27 11750 44960 11 0,8 2,5 0,27 12010 44190 12 0,8 2,8 0,27 12200 42843 13 0,9 1,9 0,27 12680 44761 14 0,9 2,2 0,27 12700 43121 15 0,9 2,5 0,27 13010 42423 16 0,9 2,8 0,27 13126 40674 17 1 1,9 0,27 13560 43039 18 1 2,2 0,27 14018 43013 19 1 2,5 0,27 14510 42861 20 1 2,8 0,27 14979 42372 Среднеарифметическое значение, k, Н/м2 45908 Среднеквадратичное отклонение, σ, Н/м2 3455 Коэффициент вариации, υ, % 7,53
×

About the authors

A. N Kuvayev

A.Baitursynov Kostanay State University

Email: kuvaevanthon@yandex.ru
Kostanay, the Republic of Kazakhstan

References

  1. Акшалов К.А., Кужинов М.Б. Принципы землепользования в Казахстане на современном этапе: состояние, перспективы // Охрана природы и региональное развитие: гармония и конфликты (к году экологии в России): материалы Международной научно-практической конференции. Оренбург, 2017. С. 100-104.
  2. Куваев А.Н. Основная обработка стерневых полей северных зерносеющих регионов Казахстана и современные орудия для ее выполнения // Многопрофильный научный журнал 3i: intellect, idea, innovation. 2018. № 2. С. 56-64.
  3. Байшоланов С.С. Агроклиматические ресурсы Костанайской области: научно-прикладной справочник. Астана, 2017. 139 с.
  4. Панов И.М., Ветохин В.И. Физические основы механики почв. Киев: Феникс, 2008. 266 с.
  5. Лурье А.Л., Любимов А.И. Широкозахватные почвообрабатывающие машины. Ленинград: Машиностроение, 1981. 270 с.
  6. Шаров М.Н., Стрекалев В.А. Математическая модель для определения составляющих тягового сопротивления культиватора // Анализ и оценка эффективности конструкций сельскохозяйственных машин: сборник научных трудов РИСХМ. Ростов-на-Дону, 1973. С. 74-81.
  7. Панов И.М., Ветохин В.И. Современное состояние и перспективы развития земледельческой механики в свете трудов В.П. Горячкина // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2008. № 2. С. 9-14.
  8. Zhalnin E. Goryachkin’s rational equation in differential form // V.P.. E3S Web of Conferences № 126. Севастополь, 2019. С. 9-14.
  9. Croitoru S., Vladut V., Marin E., Matache M., Dumitru I. Determination of subsoiler traction force influenced by different working depth and velocity // Engineering for rural development. Елгава, 2016. С. 817-825.
  10. Система критериев качества, надежности, экономической эффективности сельскохозяйственной техники: инструктивно-методическое издание. Москва: Росинфформагротех, 2010. С. 50-53.
  11. Moeenifar A., Mousavi-Seyedi, S.R., Kalantari, D. Influence of tillage depth, penetration angle and forward speed on the soil/thin-blade interaction force // Agric Eng Int: CIGR Journal. 2014. Т. 16. № 1. С. 69-74.
  12. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. Москва: Машиностроение, 1977. 328 с.
  13. Овчинникова К.П., Шилов М.П. Влияние приемов осенней обработки черноземов обыкновенных на дифференциацию пахотного слоя в условиях северного Казахстана // Многопрофильный научный журнал 3i: intellect, idea, innovation. 2016. № 4. С. 57-64.
  14. Куваев А.Н., Токарев И.В., Дерепаскин А.И. Влияние параметров плоскорежущего рабочего органа на качество и энергоемкость обработки уплотненных почв // Земледелие и селекция сельскохозяйственных растений: материалы международной научно-практической конференции. Астана, 2016. С. 140-144.
  15. Чумаков В.Г. Технологические основы механической обработки почвы: методические указания для выполнения лабораторно-практических занятий аспирантов. Курган: КГСХА им. Мальцева, 2017. 41 с.
  16. Козлов А.Ю. Статистический анализ данных в MS Excel: учебное пособие. Москва: ИНФРА-М, 2017. 320 с.

Statistics

Views

Abstract: 29

PDF (Russian): 6

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Kuvayev A.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies