Агротехнические показатели работы асимметричного рабочего органа парового культиватора

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Высокий уровень техники нового поколения характеризуется высокой производительностью агрегата при выполнении агротехнических требований, предъявляемых к конкретному способу обработки почвы [1–12].

В ФГБНУ АНЦ «Донской» в отделе механизации растениеводства разработана конструкция нового асимметричного рабочего органа парового культиватора. Новый рабочий орган состоит из стойки с долотом и последовательно установленных на ней левои правосторонних плоскорезов (рис. 1).

 

Рис. 1. Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора.

Fig. 1. New asymmetric working body of a fallow cultivator.

 

Основными требованиями к качеству крошения почвы, обработанной рабочими органами парового культиватора, являются: обеспечение мелкокомковатой структуры и равномерность глубины рыхления.

При выполнении данных требований обработанный участок поля выровнен, с высотой гребней и глубиной борозд не превышающими допускаемых агротехническими требованиями значений.

Цель исследования — проведение сравнительного анализа работы серийной стрельчатой лапы с предлагаемым новым асимметричным рабочим органом парового культиватора путем полевых исследований на полях «АНЦ «Донской».

МЕТОДЫ

Исследования на полях АНЦ Донской проводили согласно межгосударственного стандарта ГОСТ-33687-2015 «Машины и орудия для поверхностной обработки почвы».

Измерения глубины обработки выполняют по следу прохода стойки нового асимметричного рабочего органа парового культиватора и стандартной стрельчатой лапы, погружая линейку в почву до необработанного слоя. Количество измерений  по каждому учётному проходу должно составлять 25 для обработки почвы новым рабочим органом парового культиватора и стандартной стрельчатой лапой. Для определения устойчивости хода данные измерений (текущие показатели глубины ${а}_i$) обрабатывают статистическим методом с получением среднего арифметического значения глубины ${а}_{\text{ср.}}$, стандартного отклонения ${\sigma }_{\text{глубины}}$ и коэффициента вариации ${\nu }_{\text{глубины}}$.

${\sigma }_{\text{глубины}}=$$\pm \sqrt{\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n_{\text{глубины}}}{\left(a_i-a_{\text{ср}}\right)}^2}}{n_{\text{глубины}}-1}},$  ${\nu }_{\text{глубины}}=\pm$$\frac{{\sigma }_{\text{глубины}}}{{а}_{\text{ср.}}}\cdot$100%                                                 (1)

Гребнистость характеризует среднюю высоту неровностей на поверхности поля после обработки почвы новым рабочим органом парового культиватора в сравнении со стандартной стрельчатой лапой.

Высоту неровностей измеряют с помощью рейки и линейки в 4 местах в прямом и обратном направлении движения рабочих органов.

После прохода нового рабочего органа парового культиватора и стандартной стрельчатой лапы по ширине захвата накладывают рейку на вершину неровностей в местах, выбранных случайным образом.

Перпендикулярно к рейке прикладывают линейку для измерения высоты неровностей на поверхности поля. Количество измерений в каждой точке не менее 10.

Качество крошения почвы (наличие комков в обработанном слое размером менее 25 мм) определялось после прохода нового асимметричного рабочего органа парового культиватора и стандартной стрельчатой лапы.

Поскольку ширина захвата стандартной стрельчатой лапы менее размера палетки (0,5×0,5 м), разделённой на квадраты 25×25 мм, накладываемой на обработанный слой для количественного учёта комков, превышающих размер 25 мм, качество крошения обоих рабочих органов определялось весовым способом, посредством выемки пробы обработанной почвы и взвешивание отдельных фракций (рис. 2).

 

Рис. 2. Отбор и взвешивание комков, размер которых превышает 25 см.

Fig. 2. Selection and weighing of lumps larger than 25 cm.

 

Качество крошения почвы определялось по пробам, отбираемым в 4 точках при 3 повторениях в прямом и обратном направлении движения с разбором в лабораторных условиях фракций вручную для выделения комков размером более 25 мм с последующим их взвешиванием (рис. 3).

 

Рис. 3. Взвешивание общей пробы почвы.

Fig. 3 Weighing of the full soil sample.

 

В процентном соотношении к общей массе пробы $m_{\sum }$ определяется масса выделенных комков $m_{>25мм}$ по формуле:

$m_{\text{<25мм}}=100-\frac{m_{\text{>25мм}}\cdot 100\%}{m_{\sum }}$.                                                                            (2)

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты проведённых лабораторно полевых исследований и обработки полученных данных представлены в таблицах 1, 2.

 

Таблица 1. Результаты исследования устойчивости хода нового асимметричного рабочего органа парового культиватора при глубине обработки почвы 8 см

Table 1. The results of the study of motion stability of the new asymmetric working body of a fallow cultivator at a tillage depth of 8 cm

Наименование показателя	Значение показателя, % при скорости движения, км/ч
	8,0	10,5	13,0
Глубина в среднем, см	9,0	8,6	8,4
Среднеквадратическое отклонение глубины, ±см	0,71	0,89	0,89
Коэффициент вариации глубины, %	7,86	10,40	10,65

 

Таблица 2. Результаты исследования устойчивости хода стандартной стрельчатой лапы при глубине обработки почвы 8 см

Table 2. Results of the study of motion stability of a standard V-shaped sweep at a tillage depth of 8 cm

Наименование показателя	Значение показателя, % при скорости движения, км/ч
	8,0	10,5	13,0
Глубина в среднем, см	8,8	9,2	9,0
Среднеквадратическое отклонение глубины, ±см	0,84	2,0	2,10
Коэффициент вариации глубины, %	9,55	15,21	23,30

 

Допускаемое отклонение от заданной глубины обработки почвы новым рабочим органом парового культиватора и стандартной стрельчатой лапой составляет ±2 см.

Полученные данные (таблица 1 и таблица 2) объединены в таблицу 3 для сравнительной оценки устойчивости глубины хода нового рабочего органа парового культиватора и стандартной стрельчатой лапы.

 

Таблица 3. Результаты сравнения устойчивости хода нового асимметричного рабочего органа парового культиватора и стандартной стрельчатой лапы при глубине обработки почвы 8 см

Table 3. The results of comparison of motion stability of a new asymmetric working body of a fallow cultivator and the standard V-shaped sweep at a tillage depth of 8 cm

Наименование рабочего органа	Среднеквадратическое отклонение глубины, ±см	Коэффициент вариации глубины, %
Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора	0,71–0,89	7,96–10,65
Стандартная стрельчатая лапа	0,84–2,10	9,55–23,30

 

Анализ полученных данных (таблица 3) показывает, что новый рабочий орган парового культиватора соответствует агротехническим требованиям по устойчивости глубины хода во всём скоростном диапазоне, поскольку среднеквадратическое отклонение данного показателя составляет ±0,71–0,89 см, что не превышает допускаемого (±2 см). Стандартная стрельчатая лапа соответствует агротехническим требованиям по устойчивости глубины хода только при скорости движения до 10,5 км/ч включительно (среднеквадратическое отклонение ±0,84–2,0 см), а при 13,0 км/ч – не соответствует, поскольку требуемый показатель (±2,1 см) превышает допускаемое значение (±2 см). Коэффициент вариации 15,21 и 23,30% при обработке почвы стандартной стрельчатой лапой при скорости движения 10,5 и 13,0 км/ч соответственно свидетельствует о чрезмерном разбросе относительно среднего значения глубины при заданной 8 см.

Это является подтверждением неустойчивости глубины хода стандартной стрельчатой лапы при функционировании на данных режимах и непригодности данного рабочего органа для высокоскоростной почвообрабатывающей техники.

Неравномерность глубины хода рабочих органов влияет на выровненность поверхности поля после обработки почвы.

Полученные данные по гребнистости приведены в таблице 4.

 

Таблица 4. Результаты исследования гребнистости поверхности поля после обработки почвы рабочими органами на глубину 8 см

Table 4. Results of the study of ridgeness of field surface after tillage by working bodies to a depth of 8 cm

Наименование рабочего органа	Значение показателя, см при скорости движения, км/ч
	8,0	10,5	13,0
Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора	2,3	2,2	2,4
	2,3	2,4	2,2
	2,6	2,5	2,3
	2,1	2,7	2,6
В среднем	2,3	2,5	2,4
Стандартная стрельчатая лапа	3,6	3,4	3,9
	3,5	3,4	4,1
	3,5	3,3	4,3
	3,2	3,6	4,2
В среднем	3,5	3,4	4,1

 

После прохода нового асимметричного рабочего органа парового культиватора и стандартной стрельчатой лапы гребнистость поверхности поля должна составлять не более 4 см.

Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора соответствует агротехническим требованиям по гребнистости поверхности поля после обработки почвы (2,1–2,7 см) и изменяется незначительно (на 4%) с повышением скорости движения.

При этом наибольшая гребнистость поверхности поля (в среднем 2,5 см), не превышающая допускаемую (до 4 см), наблюдается при средней скорости движения (10,5 км/ч), а затем снижается до 2,4 см при её возрастании до 13,0 км/ч.

Неравномерность глубины обработки почвы вследствие неустойчивости глубины хода стандартной стрельчатой лапы при скорости движения 13,0 км/ч явилась причиной повышенной гребнистости (3,9–4,2 см), которая не соответствует агротехническим требованиям к данному показателю (до 4 см).

При скорости 8,0 и 10,5 км/ч гребнистость после прохода стандартной стрельчатой лапы составила 3,2–3,6 и 3,3–3,6 см соответственно, что в среднем в 1,4–1,5 раза выше, чем у нового рабочего органа парового культиватора, но не противоречит агротехническим требованиям в части выровненности поверхности поля.

Результаты исследования качества крошения и фон после обработки почвы рабочими органами представлены в таблице 5 и на рис. 4.

 

Рис. 4. Фон после обработки почвы рабочими органами: a — новый асимметричный рабочий орган парового культиватора; b — стандартная стрельчатая лапа.

Fig. 4. Ground after tillage by working bodies: a — the new asymmetric working body of a fallow cultivator; b —the standard V-shaped sweep.

 

Таблица 5. Результаты исследования качества крошения почвы новым асимметричным рабочим органом парового культиватора (глубина 8 см)

Table 5. Results of study of quality of soil crumbling by a new asymmetric working body of a fallow cultivator (depth 8 cm)

Наименование рабочего органа	Значение показателя Комков размером менее 25 мм, %
	Фактическое движение при скорости движения, км/ч			Допускаемое по агротехническим требованиям
	8,0	10,5	13,0
Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора	88,9	91,3	93,2	Не менее 80
	89,3	92,1	92,5
	89,5	91,8	92,9
	88,7	92,0	93,4
В среднем	89,1	91,8	93,0
Стандартная стрельчатая лапа	86,0	87,4	85,9
	86,8	86,5	85,7
	86,7	87,7	86,6
	86,9	86,7	87,0
В среднем	86,6	87,1	86,3

 

Анализ полученных данных (таблица 5) показывает, что оба рабочих органа выполняют агротехнические требования по качеству крошения при глубине культивации 8 см, поскольку после прохода в обработанном слое почвы комков размером менее 25 мм содержится 85,7–93,4%.

Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора с увеличением скорости движения с 8,0 до 13,0 км/ч обеспечивает повышение качества крошения почвы с 88,7 до 93,4% соответственно.

При функционировании стандартной стрельчатой лапы качество крошения почвы находится на одном уровне: 85,7–87,7% комков размером менее 25 мм в обработанном слое.

Следует отметить, что на наиболее эффективном, с позиции повышения производительности, режиме функционирования (при скорости 13,0 км/ч) стандартная стрельчатая лапа обеспечивает наихудшее качество крошения (в среднем 86,3%), а новый рабочий орган парового культиватора, напротив, наилучшее (в среднем 93,0%).

В целом новый асимметричный рабочий орган парового культиватора обеспечивает улучшение качество крошения по наличию комков размером менее 25 мм в обработанном слое почвы по сравнению со стандартной стрельчатой лапой на 2,2–7,3% в среднем.

 

Рис. 5. Формирование опережающей трещины долотом нового рабочего органа парового культиватора.

Fig. 5. Formation of a leading crack with a chisel of the new asymmetric working body of a fallow cultivator.

 

Улучшение качества крошения новым рабочим органом парового культиватора объясняется возникновением с увеличением скорости движения ударного взаимодействия пласта с долотом, которое формирует опережающую трещину в продольном направлении (рис. 5), а плоскорезные рыхлители производят разрезание в поперечном направлении отделённого массива почвы (рис. 6).

 

Рис. 6. Крошение почвы плоскорезными рыхлителями нового асимметричного рабочего органа парового культиватора.

Fig. 6. Soil crumbling with flat-cut rippers of the new asymmetric working body of a fallow cultivator.

 

При этом, чем выше скорость движения, тем дальше распространяется фронт трещины, что сопровождается большей интенсивностью крошения почвы новым асимметричным рабочим органом парового культиватора.

Это объясняется тесной взаимосвязью количества энергии, требуемой для крошения почвы с энергией образовавшейся трещины, прямо пропорциональной поверхностному натяжению комка.

Процесс крошения почвы обусловлен наличием внутри пласта защемлённого воздуха, который высвобождается при нарушении равновесия внешних сил от подпора со стороны необработанного массива и от воздействия рабочего органа. Вместе с тем, при поверхностной глубине обработки почвы внешние силы со стороны рабочего органа, воздействующего на пласт, не могут быть уравновешены и переходят в деформации сжатия, растяжения и сдвига, что сопровождается крошением на отдельные комки при потере связи между ними.

Крошение почвы новым асимметричным рабочим органом парового культиватора сопровождается увеличением объёма почвы, которое возникает при деформировании по нормали к поверхностям разрушающих сдвиговых деформаций. Увеличение объёма почвы обусловлено более рыхлой укладкой образовавшихся комков.

Стандартная стрельчатая лапа не содержит долото, ударного взаимодействия с пластом не возникает при её функционировании на повышенной скорости движения.

Кроме того, массив почвы под воздействием деформаций сжатия и сдвига, возникающих ввиду конфигурации рабочей поверхности стандартной стрельчатой лапы, подвергается крошению в течение некоторого времени, которое определяется длительностью взаимодействия с почвой, уменьшающегося с ростом скорости движения.

Поэтому, чем выше скорость движения стандартной стрельчатой лапы, тем меньше времени почва подвергается крошению, что сопровождается снижением его качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процесс работы нового асимметричного рабочего органа парового культиватора соответствует агротехническим требованиям по устойчивости глубины хода во всём скоростном диапазоне, поскольку среднеквадратическое отклонение данного показателя составляет ±0,71–0,89 см, что не превышает допускаемого (±2 см). Стандартная стрельчатая лапа соответствует агротехническим требованиям по устойчивости глубины хода только при скорости движения до 10,5 км/ч включительно (среднеквадратическое отклонение ±0,84–2,0 см), а при 13,0 км/ч — не соответствует, поскольку требуемый показатель (±2,1 см) превышает допускаемое значение (±2 см).

Коэффициент вариации 15,21 и 23,30% при обработке почвы стандартной стрельчатой лапой при скорости движения 10,5 и 13,0 км/ч соответственно свидетельствует о чрезмерном разбросе относительно среднего значения глубины при заданной 8 см. Последнее обстоятельство является подтверждением неустойчивости глубины хода стандартной стрельчатой лапы при функционировании на данных режимах и непригодности данного рабочего органа для высокоскоростной почвообрабатывающей техники.

Неравномерность глубины обработки почвы вследствие неустойчивости глубины хода стандартной стрельчатой лапы при скорости движения 13,0 км/ч явилась причиной повышенной гребнистости (3,9–4,2 см), которая не соответствует агротехническим требованиям к данному показателю (до 4 см). При скорости 8,0 и 10,5 км/ч гребнистость после прохода стандартной стрельчатой лапы составила 3,2–3,6 и 3,3–3,6 см соответственно, что в среднем в 1,4–1,5 раза выше, чем у нового рабочего органа парового культиватора, но не противоречит агротехническим требованиям в части выровненности поверхности поля.

Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора с увеличением скорости движения с 8,0 до 13,0 км/ч обеспечивает повышение качества крошения почвы с 88,7 до 93,4% соответственно. При функционировании стандартной стрельчатой лапы качество крошения почвы находится на одном уровне: 85,7–87,7% комков размером менее 25 мм в обработанном слое. На наиболее эффективном, с позиции повышения производительности, режиме функционирования (при скорости 13,0 км/ч) стандартная стрельчатая лапа обеспечивает наихудшее качество крошения (в среднем 86,3%), а новый асимметричный рабочий орган парового культиватора, напротив, наилучшее (в среднем 93,0%). Новый асимметричный рабочий орган парового культиватора обеспечивает улучшение качества крошения по наличию комков размером менее 25 мм в обработанном слое почвы по сравнению со стандартной стрельчатой лапой на 2,2–7,3% в среднем.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.И. Камбулов — руководство исследованием, концептуализация, методология, администрирование проекта; Г.Г. Пархоменко — формальный анализ, проведение исследования, создание черновика рукописи, визуализации; Д.С. Подлесный — формальный анализ, проведение исследования, создание черновика рукописи, визуализация; И.В. Божко — проведение исследования, создание черновика рукописи; С.В. Белоусов — формальный анализ, проведение исследования, создание черновика рукописи, создание окончательной версии (доработка) рукописи и ее редактирование. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.I. Kambulov — research management, conceptualization, methodology, project administration; G.G. Parkhomenko — formal analysis, conducting research, writing the draft of the manuscript, visualization; D.S. Podlesny — formal analysis, conducting research, writing the draft of the manuscript, visualization; I.V. Bozhko — conducting research, writing the draft of the manuscript; S.V. Belousov — formal analysis, conducting research, writing the draft of the manuscript, writing and editing the final version of the manuscript. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Галина Геннадьевна Пархоменко

Аграрный научный центр «Донской»

Email: parkhomenko.galya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1944-216X
SPIN-код: 6048-2834

кандидат техн. наук, ведущий научный сотрудник отдела механизации растениеводства

Россия, Зерноград

Дмитрий Сергеевич Подлесный

Аграрный научный центр «Донской»; Донской государственный технический университет

Email: podlesniy.dmitri@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6069-138X
SPIN-код: 5168-1664

кандидат техн. наук, младший научный сотрудник отдела механизации растениеводства

Россия, 347740, Зерноград, ул. Научный городок, д. 3; Ростов-на-Дону

Сергей Иванович Камбулов

Аграрный научный центр «Донской»; Донской государственный технический университет

Email: kambulov.s@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8712-1478
SPIN-код: 3854-2942

доцент, доктор техн. наук, главный научный сотрудник, заведующий отделом механизации растениеводства

Россия, 347740, Зерноград, ул. Научный городок, д. 3; Ростов-на-Дону

Игорь Владимирович Божко

Аграрный научный центр «Донской»

Email: i.v.bozhko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8423-4079
SPIN-код: 8506-5144

кандидат техн. наук, научный сотрудник отдела механизации растениеводства

Россия, 347740, Зерноград, ул. Научный городок, д. 3

Сергей Витальевич Белоусов

Аграрный научный центр «Донской»; Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey_belousov_87@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8874-9862
SPIN-код: 6847-7933
Scopus Author ID: 714080
ResearcherId: Q-1037-2017

кандидат техн. наук, доцент кафедры «Процессы и машины в агробизнесе», младший научный сотрудник отдела механизации растениеводства

Россия, 347740, Зерноград, ул. Научный городок, д. 3; Краснодар

Список литературы

Дополнительные файлы