Justification of the operating modes of the needle disk of a new design

Full Text

Введение Эрозионным процессам подвержена большая часть обрабатываемой земли Омской области, что в свою очередь оказывает непосредственное влияние на количество собранного зерна. На протяжении последних нескольких лет, средняя урожайность по Омской области не превышает 16 ц/га. Так, например, в трех самых южных районах, расположенных в степной зоне, где содержание гумуса достигает 4 %, а количество осадков - 250-300 мм. в год, средняя урожайность составила 12,9 ц/га. Существенным методом, оказывающим влияние на урожайность сельскохозяйственных культур, является увеличение накопления продуктивной влаги за осенне-весенний период [1, 2]. Проведение уборочных работ сопровождается переуплотнением поверхностного слоя, что усложняет проникновение влаги. В ранневесенний период, после обильного снеготаяния, почвенная корка напротив, высыхая и растрескиваясь, увеличивает испарение влаги и приводит к снижению урожайности. Существующие известные орудия с дисковыми и игольчатыми рабочими органами для осеннего рыхления и ранневесеннего боронования почв не в полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к обработке, особенно в зонах, подверженных ветровой эрозии. Зачастую неправильно подобранный режим работы игольчатой бороны оказывается малопродуктивным. Так, например, несоответствие угла атаки и выбора режима (активный, пассивный) по направлению движения игольчатого диска ведет к снижению качественных показателей. Превышение рабочей скорости агрегата, по сравнению с агротехническими требованиями, в весенний период приводит к иссушению и чрезмерному распылению верхнего слой почвы. В связи с этим разработка новых конструкций орудий с игольчатыми дисками, определение параметров и режимов их работы для улучшения качественных показателей весенне-осенней обработки почв является актуальной [3, 4]. Цель исследований Повышение эффективности влагонакопления и поверхностной обработки почвы путем обоснования параметров и режимов работы дискового игольчатого рабочего органа. Материалы и методы Для определения режимов работы игольчатого диска был изготовлен экспериментальный образец дисковой бороны и проведены испытания в Черлакском районе Омской области на супесчаной почве по фонам многолетних трав. При выполнении практических исследований применялся метод композиционного планирования эксперимента [6]. В качестве оптимизируемой величины были приняты: для оценки влагонакопления - объем лунок на 1 м2; для оценки рыхления почвенного пласта - отношение площади обработанной поверхности на квадратном метре. Результаты и обсуждение Качество обработки почвы дисковыми орудиями зависит от множества факторов, из которых основными являются: установка рабочего органа под углом атаки относительно прямолинейного движения трактора и скорость движения агрегата. Угол атаки влияет на качество рыхления почвы и ширину захвата орудия, при его увеличении наблюдается лучшее рыхление почвенного пласта [5]. При малых углах атаки и большой скорости происходит процесс выполнения лунок в почве, что способствует влагонакоплению. На основании выполненного анализа существующих технических решений и предыдущих исследований для повышения качества обработки почвы в эрозионно-опасных зонах было предложено новое техническое решение и получен патент на полезную модель «Почвообрабатывающее орудие с игольчатыми дисками» [7]. Игольчатый рабочий орган почвообрабатывающего орудия (рис. 1, а) предназначен, для поверхностной обработки почвы, разрушения уплотненной почвенной корки, выполнения лунок на поверхности поля с целью увеличения влагонакопления. Игольчатый диск состоит из ступицы 1 с закрепленными на ней иглами 2. Каждая игла выполнена изменяющейся формы, первая часть иглы от основания выполнена квадратной формы, вторая половина - пирамидальной формы с вершиной на конце иглы. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия работает следующим образом. В начале движения агрегата по полю машинист-тракторист переводит рабочий орган почвообрабатывающего орудия в рабочее положение. Рабочие органы почвообрабатывающего орудия под действием веса заглубляются в почву до заданного значения глубины, выставленного при помощи опорных колес. Игольчатый диск почвообрабатывающего орудия может использоваться в активном или пассивном режиме. Применения активного режима осуществляется на тяжелых почвах. При использовании рабочего органа почвообрабатывающего орудия в активном режиме он устанавливается таким образом, что вращение происходит по ходу часовой стрелки. Глубину обработки почвы ограничивают до ¾ длины иглы, чтобы работали все грани иглы. Применение пассивного режима предназначено для обработки легких почв и почв, подверженных дефляционным процессам. В пассивном режиме рабочий орган почвообрабатывающего орудия установлен таким образом, что вращение игольчатых дисков происходит против часовой стрелки. Глубину обработки почвы ограничивают до ½ длины иглы для того, чтобы в большей степени работали ребра игл. Для обоснования режимов работы орудия (скорость движения агрегата и угол атаки) необходимо выполнить практические испытания и определить качественные показатели (влагонакопления и крошение почвенного пласта). Для определения оптимальных показателей режимов работы игольчатого диска [7] были изготовлены экспериментальные образцы и проведены испытания в Черлакском районе Омской области на супесчаной почве твердостью 14,5 кПа (рис. 2), по фону многолетних трав, таких как кострец безостый и люцерна (рис. 3). При выполнении практических исследований применялся метод композиционного планирования эксперимента [6]. В качестве оптимизируемой величины были приняты: для оценки влагонакопления - объем лунок на 1 м2; для оценки рыхления почвенного пласта - отношение площади обработанной поверхности к 1 м2. Испытания проводились на машинотракторном агрегате, состоящем из трактора Т-40 и лабораторной бороны, оборудованной игольчатыми дисковыми рабочими органами (рис. 4) [7]. Показатели режимов работы, оказывающие влияние на формирование объема лунок на 1 м2, являются скорость движения агрегата (V) и угол установки (α) рабочих органов - игольчатых дисков. При исследовании влияния факторов были выбраны пределы варьирования: скорость движения агрегата - 5...9 км/ч, угол установки рабочих органов - 0...16°. Величину объема лунок на 1 м2 определяли замером рамкой 0,25×0,25 м2 и пересчитывали на 1 м2. Среднее число лунок при разных параметрах скорости и угла атаки остается постоянным: 64 шт./м2. Объем одной лунки рассчитывался по выполненным замерам ширины, длины и глубины лунки. При проведении опыта при значении угла атаки 0° объем лунки рассчитывается из рис. 5 по формуле: V = S · b, (1) где b - ширина лунки; S - площадь сегмента, ограниченного хордой: (2) где r - радиус окружности: (3) где c - длина лунки; h - глубина лунки; l - длина дуги: l = r · α, (4) где α - образующий угол дуги: (5) Выполнив подстановку замеренных значений величин в формулы (1)-(5), получим значение объема лунки, а следовательно, и объема лунок на 1 м2. В случае установки угла атаки более 0° объем лунки рассчитывается из рис. 6 по формуле: (6) где h - глубина, b - ширина, l - длина. Рис. 6. Расчетная схема объема лунки при значении угла атаки, отличного от 0° Для определения оптимальных параметров, согласно методу композиционного планирования эксперимента, получим уравнения с натуральными величинами (7) и (8) и построим поверхности отклика (рис. 7, 8). (7) (8) При анализе поверхностей отклика (рис. 7 и 8) выявлены оптимальные параметры: - для влагонакопления: угол атаки, равный 0°, а скорость движения агрегата - 7 км/ч; - для рыхления: угол атаки, равный 16°, а скорость движения агрегата - 9 км/ч (рис. 9, а). Оптимальным параметром для влагонакопления и рыхления почвы будет являться угол атаки 4° и скорость движения агрегата - 7 км/ч. При таких технических параметрах будет происходить не только накопление влаги, но и качественная поверхностная обработка почвы (рис. 9, б). Заключение В результате практических исследований, согласно матрице ортогонального планирования, были выполнены исследования по оценки влагонакопления и качества рыхления почвенного пласта. Для супесчаной почвы твердостью 14,5 кПа с агрофоном многолетних трав, таких как кострец безостый и люцерна, были получены уравнения регрессии влагонакопления и качества рыхления, на основе чего выявлены оптимальные параметры: для влагонакопления - угол атаки, равный 0°, а скорость движения агрегата - 7 км/ч; для рыхления - угол атаки, равный 16°, а скорость движения агрегата - 9 км/ч. При таких технических параметрах будет происходить комплексная обработка почвы с накоплением влаги и качественным рыхлением поверхностного пласта почвы. а б в Рис. 1. Экспериментальный игольчатый диск (а): б - сечение А-А; в - сечение Б-Б Рис. 2. Твердограмма почвы поля в Черлакском районе Омской области Рис. 3. Общий вид агрофона поля многолетних трав Рис. 4. Машинотракторный агрегат (трактор Т-40 и лабораторная установка) Рис. 5. Расчетная схема объема лунки при значении угла атаки 0°: r - радиус; α - угол; l - длина дуги: h - глубина: c - длина; b - ширина лунки Рис. 7. Поверхность отклика объема лунок на 1 м2: α - угол атаки; V - скорость движения агрегата а б Рис. 9. Результаты обработки поля: а - максимальные параметры для рыхления почвы; б - оптимальные параметры для влагонакопления и рыхления почвы Рис. 8. Поверхность отклика качества рыхления почвенного пласта: α - угол атаки; V - скорость движения агрегата

About the authors

A. N Shmidt

Federal State Budgetary Scientific Institution “Omsk Agricultural Scientific Center”

Omsk, Russia

A. A Kem

Federal State Budgetary Scientific Institution “Omsk Agricultural Scientific Center”

PhD in Engineering Omsk, Russia

M. S Chekusov

Federal State Budgetary Scientific Institution “Omsk Agricultural Scientific Center”

Omsk, Russia

D. E Kuz'min

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: aa.kem@omgau.org
Omsk, Russia

A. S Soyunov

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: aa.kem@omgau.org
PhD in Engineering Omsk, Russia

References