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

Abstract

The preservation and accumulation of productive soil moisture in areas with insufficient moisture and subject to wind erosion does not lose its relevance. Known disc needle-like working bodies of rotary harrows, intended for surface treatment on stubble backgrounds, are mainly aimed at loosening the upper soil layer. An incorrectly selected mode of using existing needle harrows is dangerous by excessive spraying and drying out of the surface of fertile soil. In this regard, there was proposed a new technical solution for a needle disk with a changing shape of needles, which makes it possible to loosen the top layer of soil from making holes on the surface of the field. A tillage tool with needle discs consists of a hub with needles fixed on it. The disc is installed afrontal, each needle is made of a variable shape, the first half made from the base of the needle is square, and the second half is pyramidal with a top at the end of the needle. The use of such needle discs with needles, which more easily penetrate the soil make it possible to efficiently chop up crop residues and loosen the soil, which improves the quality of soil cultivation. The tests of the new needle disk against the background of perennial grasses made it possible to substantiate the main operating parameters of the new working body. For sandy loam soil with a hardness of 14,5 kPa with an agrophone of perennial grasses, such as awnless rump and alfalfa, it was found that the maximum parameter for moisture accumulation will be achieved at a speed of 7 km / h with an angle of attack equal to 0°, and loosening at a speed of 9 km/h with an angle of attack of 16°. A rational parameter, at which not only moisture accumulation occurs, but also high-quality soil cultivation, is achieved when the angle of attack is set to 4° and the speed of the unit is 7 km/h.

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

  1. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. М.: Колос, 1996. 367 с.
  2. Абрамов Н.В., Ершов В.Л., Ионин П.Ф. и др. Земледелие Западной Сибири. Тюмень: Изд-во ТГСХА, 2009. 348 с.
  3. Шмидт А.Н., Кем А.А. Применение игольчатых борон в ресурсосберегаюших технологиях // Актуальные проблемы научного обеспечения земледелия Западной Сибири: сборник науч. статей, посвященый 70 летию академека РАН Храмцова И.Ф., 95-летию основания отдела земледелия ФГБНУ «Омский АНЦ»; ФГБНУ «Омский АНЦ». Омск: изд-во ИП Макшеевой Е.А., 2020. С. 170-176.
  4. Шмидт А.Н., Кузьмин Д.Е., Мяло В.В., Союнов А.С. Особенности ранневесеннего влагосбережения // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2019. № 1 (33). С. 162-167.
  5. Кем А.А., Шевченко А.П., Бегунов М.А., Коваль В.С. Экспериментальные исследования взаимодействия рабочих органов игольчатого диска с растительными остатками // Вестник Омского государственного университета 2019. № 1. С. 134-141.
  6. Гайдадин А.Н., Ефремова С.А. Использование метода композиционного планирования эксперимента для описания технологических процессов: метод. указания; ВолгГТУ. Волгоград, 2008. 16 с.
  7. Союнов А.С., Зарипова Н.А., Шмидт А.Н. Почвообрабатывающее орудие с игольчатыми дисками: патент на полезную модель № 185828 РФ; опубл. 19.12.2018, Бюл. № 35.

Statistics

Views

Abstract: 44

PDF (Russian): 7

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Shmidt A.N., Kem A.A., Chekusov M.S., Kuz'min D.E., Soyunov A.S.

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