Determination of tractive resistance of a wide-level chain harrow for soil mulching

全文:

Введение

Обязательным условием для реализации технологий mini-till и no-till является наличие на поверхности почвы достаточно мощного мульчирующего слоя. Технология мульчирования почвы — сложный процесс, предполагающий, в том числе, применение почвообрабатывающей техники, обеспечивающей интенсификацию накопления органического вещества и одновременно технологические возможности для работы последующих агрегатов.

Интенсификация процессов мульчирования предполагает увеличение скорости и полноты биологической утилизации растительных остатков, остающихся после уборки урожая. Это в свою очередь определяется степенью их измельчения, а также их дислокацией в почве [1, 2]. Очевидно, что равномерное измельчение растительных остатков, по оценкам ученых до 0,05 м и менее [3], их перемешивание с почвой, при равномерном распределении по поверхности поля позволяет ускорить процессы мульчирования, а соответственно и повысить отдачу от технологий mini-till и no-till.

Комплекс машин, применяемый при мульчировании, достаточно разнообразен и в каждом конкретном случае определяется зональными природно-климатическими и агропроизводственными особенностями. Широкое распространение получили машины с дисковыми и ротационными рабочими органами: традиционные лущильники, дисковые бороны, дисковые мульчировщики, ротационные мотыги [4]. При обработке почвы после грубостебельных культур эффективны ножевидные (рубящие) катки. Значительную эффективность при мульчировании в технологиях mini-till и no-till демонстрируют машины с цепными рабочими органами, широкое распространение в сельскохозяйственном производстве получили бороны конструкции В.И. Двуреченского. Данные машины приспособлены для работы на различных агрофонах, хорошо копируют неровности рельефа поля, относительно просты в обслуживании и регулировках. Однако, отмечаются и определённого рода недостатки, в частности, используемый рабочий орган — цепной шлейф с «боковым» расположением рыхлительных зубьев не в полной мере обеспечивает измельчение растительных остатков и перемешивание их с почвой. Как отмечается в исследованиях [5], основная причина этого заключается в недостаточно полном заглублении рыхлительных зубьев при относительно низкой интенсивности их взаимодействия с почвой, обусловленной значительным «шагом зубьев» (расстоянием между двумя последовательными следами, оставляемыми при проходе зубьями на почве). Также среди недостатков существующих цепных борон можно отметить относительно малую ширину захвата, ограниченную 12 м. Принимая во внимание не высокую энергоемкость процесса, целесообразным является увеличение рабочей ширины захвата, это позволяет при комплектовании с тракторами более высоких тяговых классов значительно повысить производительность агрегатов, что актуально в условиях дефицита квалифицированных механизаторов.

Принимая во внимание выше сказанное, можно резюмировать, что исследования, направленные на создание и совершенствование машин и рабочих органов для мульчирования почвы и, в частности, цепных борон актуальны.

Цель исследований — разработка широкозахватной цепной бороны и рабочего органа, обеспечивающего интенсификацию процессов мульчирования почвы, теоретическая и экспериментальная оценка величины тягового сопротивления орудия.

Материалы и методы

В целях повышения эффективности мульчирования разработаны цепная борона [7] и цепной рабочий орган [6], на котором изменено расположение рыхлительных зубьев (рис. 1). Если на стандартном — они располагаются на пластине за пределами звеньев («боковое» расположение), то на предлагаемом — они находятся на пластине внутри звеньев («центральное» расположение) (рис. 2). Указанное техническое решение призвано повысить интенсивность взаимодействия рыхлительных зубьев с почвой за счет уменьшения «шага зубьев» при одновременном создании лучших условий для их заглубления [8]. Также необходимо отметить, что рыхлительные зубья выполнены съёмными, что повышает ремонтопригодность рабочих органов.

 

Рис. 1. Разработанный рабочий орган для цепной бороны: 1 — звено; 2 — пластина; 3 — гайка; 4 — рыхлительный зуб.

Fig. 1. The developed working body for chain harrow: 1: link; 2: plate; 3: nut; 4: ripper tooth.

 

Рис. 2. Рабочие органы цепных борон: a — рабочий орган бороны Двуреченского с «боковым» расположением рыхлительных зубьев; b — разработанный рабочий орган с «центральным» расположением рыхлительных зубьев.

Fig. 2. Working bodies of chain harrows: a: the working body of the Dvurechensky harrow with “lateral” arrangement of ripper teeth; b: the developed working body with “central” arrangement of ripper teeth.

 

Для теоретической оценки энергетических показателей работы цепной бороны с разработанными рабочими органами предварительно выделим фрагмент шлейфа, состоящий из двух звеньев, и рассмотрим силы, действующие на него в плоскости системы координат O₁X₁Z₁, параллельной плоскости вращение (рис. 3). В ходе технологического процесса на каждый выделенный фрагмент рабочего органа действуют: вес G; сила тяги P_тяг; сила инерции P_и; реакция почвы R_п; составляющая тягового сопротивления P_f , обусловленная действием силы тяжести.

 

Рис. 3. Схема сил, приложенных к фрагменту цепного шлейфа в координатах O₁X₁Z₁.

Fig. 3. Diagram of forces applied to a fragment of a chain loop in the O₁X₁Z₁ frame.

 

Сила тяжести G и сила инерции P_и приложены к центру масс O_c , реакция R_п оказывает действие на рыхлительный зуб (рис. 3). Усилие P_f изменяется знакопеременно и приложено в центре масс.

Для анализа сил, действующих на фрагмент цепного рабочего органа, воспользуемся принципом Даламбера. С этой целью составим уравнение:

$\overline{P_{\text{и}}}+\overline{G}+\overline{R_{\text{тяг з}}}+\overline{R_{\text{п1}}}+\overline{R_{\text{п2}}}+\overline{R_{\text{п3}}}+\overline{P_f}=0$. (1)

Реакция R_п определяется конструкционными параметрами рыхлительных зубьев, глубиной h их погружения в почву, а также физико-механическими свойствами почвы [9–12]. Сила R_п может быть представлена в виде суммы (2) следующих слагаемых: сила сопротивления почвы смятию наконечником зуба R_п1; сила сопротивления почвы сдвигу боковой поверхностью зуба R_п2; сила трения почвы о поверхность зуба R_п3 .

$R_{\text{п}}=R_{\text{п1}}+R_{\text{п2}}+R_{\text{п3}}$. (2)

Из анализа кинематики перемещения рыхлительного зуба в почве следует, что глубина его погружения h зависит от координаты φ_п и может быть определена по следующей зависимости:

$h=\frac{R\left(1-\cos {\phi }_{п}\right)-a}{\cos {\phi }_{п}}$, (3)

где R — длина рыхлительного зуба, м; φ_п — угловая координата перемещения зуба, град.; а — максимальная глубина проникания рыхлительного зуба в почву, м.

При известной h слагаемые формулы (2) могут быть рассчитаны следующим образом:

$R_{\text{п1}}=2d_{\text{з}}H\left(\frac{R\left(1-\cos {\phi }_{п}\right)-a}{\cos {\phi }_{п}}\right)\sin \left(\frac{\beta }{2}-\gamma \right)$, (4)

где d_з — диаметр поперечного сечения рыхлительного зуба, м; H — твердость почвы, Н/м²; β — угол заострения рыхлительного зуба, град; γ — угол трения почвы о сталь, град.

$R_{\text{п2}}=\tau d_{\text{з}}\left(\frac{R\left(1-\cos {\phi }_{п}\right)-a}{\cos {\phi }_{п}}\right)$, (5)

где τ — предельное напряжение почвы сдвигу, H/м².

$R_{\text{п3}}=f\rho \pi V^2{d}_{\text{з}}\left(\frac{R\left(1-\cos {\phi }_{п}\right)-a}{\cos {\phi }_{п}}\right)$, (6)

где f — коэффициент трения почвы о поверхность зуба; ρ — плотность почвы, кг/м³; V — скорость перемещения рыхлительного зуба, м/с.

Составляющая P_f тягового сопротивления (рис. 3), обусловленная действием силы тяжести изменяется знакопеременно и зависит от положения центра масс O_c фрагмента. Данную силу можно определить по формуле:

$P_f=-G\text{tg}{\phi }_{п}$. (7)

Сила инерции P_и определяется по известной формуле:

$P_{\text{и}}=-m{W}_0$, (8)

где m — масса фрагмента цепного шлейфа, кг (m=4,0 кг); W₀ — ускорение, м/с².

Следует отметить, что скорость V и ускорение W₀ определяются на основании анализа кинематики перемещения цепного рабочего органа и зависят от координаты φ_п, длины рыхлительных зубьев R, и скорости движения агрегата v_а.

Таким образом величину тягового сопротивления выделенного фрагмента в проекциях на оси системы координат O₁X₁Z₁ можно представить следующим образом:

$P_{\text{тяг з}}=m{W}_0+\left(2d_{\text{з}}H\sin \left(\frac{\beta }{2}-\gamma \right)\text{tg}{\phi }_{п}+\left(f\rho \pi V^2{d}_{\text{з}}+\tau d_{\text{з}}\right)\right)\left(R\left(1-\cos {\phi }_{п}\right)-a\right)\pm G\text{tg}{\phi }_{п}$. (9)

Анализируя перемещение фрагмента цепного рабочего органа в ходе технологического процесса, можно отметить, что при определённых углах φ_п к величине тягового сопротивления (9) дополнительно добавятся величины усилий, действующие на рыхлительные зубья соседнего звена, на разных стадиях их взаимодействия с почвой. Так в случае, когда зуб «1» проникает в почву, зуб «2» выглубляется из неё, далее, когда зуб «1» начинает выглубляться из почвы, зуб «3» проникает в почву (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема перемещение фрагмента зубоцепного рабочего органа.

Fig. 4. Diagram of moving a fragment of a teeth-chain working body.

 

Исходя из схемы (см. рис. 4), величина тягового сопротивления фрагмента цепного рабочего органа может быть определена по формуле:

$P_{\text{тяг}}=P_{{\text{тяг}}_{}\text{з}}+P_{\text{п(н)}}+P_{\text{п(к)}}$, (10)

где P_п(н) — дополнительное усилие, возникающее во время выглубления рыхлительного зуба соседнего звена, Н; P_п(к) — дополнительное усилие, возникающее во время заглубления рыхлительного зуба соседнего звена, Н.

Слагаемые P_п(н) и P_п(к) определяются по зависимостям (11) и (12):

$P_{\text{п(к)}}=\left(f\rho \pi V^2{d}_{\text{з}}+\tau d_{\text{з}}\right)\left(R\left(1-\cos \left({\phi }_{п}+\arcsin \left(\frac{R-а}{R}\right)\right)\right)-a\right)$, (11)

$\begin{array}{l}{P}_{\text{п(н)}}=\left(2d_{\text{з}}H\sin \left(\frac{\beta }{2}-\gamma \right)\text{tg}\left({\phi }_{п}-\arcsin \left(\frac{R-а}{R}\right)\right)+f\rho \pi V^2{d}_{\text{з}}+\tau d_{\text{з}}\right)\times \\ \times \left(R\left(1-\cos \left({\phi }_{п}-\arcsin \left(\frac{R-а}{R}\right)\right)\right)-a\right)\end{array}$. (12)

Принимая во внимание то, что цепной рабочий орган на бороне находится под некоторым углом α к направлению движения, рассмотрим следующую схему (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема сил, приложенных к фрагменту цепного шлейфа.

Fig. 5. Diagram of forces applied to a fragment of a chain loop.

 

Спроецируем силы (1), действующие на фрагмент цепного шлейфа на оси системы координат OXYZ (рис. 5), получим следующую систему:

$\left\{\begin{array}{l}\left(P_{\text{тягX}}\pm P_{\text{fХ}}\right)-P_{\text{иX}}-R_{\text{п1X}}\sin {\phi }_{п}-R_{\text{п2X}}\cos {\phi }_{п}-R_{\text{п2X}}\cos {\phi }_{п}=0\\ \left(P_{\text{тягY}}\pm P_{\text{fY}}\right)-P_{\text{иY}}-R_{\text{п1Y}}\sin {\phi }_{п}+R_{\text{п2Y}}\cos {\phi }_{п}+R_{\text{п2Y}}\cos {\phi }_{п}=0\\ -G-P_{\text{иZ}}-R_{\text{п1Z}}\cos {\phi }_{п}-R_{\text{п2Z}}\sin {\phi }_{п}-R_{\text{п2Z}}\sin {\phi }_{п}=0\end{array}\right.$. (13)

В системе OXYZ величину тягового сопротивления выделенного фрагмента P_тяг можно представить следующим образом:

• проекция на ось ОХ:

${P_{\text{тяг}}}_{Х}=P_{\text{тяг}}\cos \alpha$; (14)

• проекция на ось ОY:

${P_{\text{тяг}}}_Y=P_{\text{тяг}}\sin \alpha$. (15)

Составляющая P_{тяг Х} определяет величину тягового сопротивления фрагмента цепного рабочего органа. Задавшись основными конструкционными параметрами, представим графически характер изменения усилия P_{тяг Х} в зависимости от координаты φ_п, при угле α=45° (рис. 6).

 

Рис. 6. Изменение тягового сопротивления P_тягX фрагмента зубоцепного рабочего органа от угла φ_п при α=45° (при d_з=0,020 м, R=0,15 м, а=0,04 м).

Fig. 6. Variation of traction resistance P_тягX of a teeth-chain working body on the angle φ_п at α=45° (d_з=0,020 m, R=0,15 m, а=0,04 m).

 

Из полученного графика можно заметить, что величина P_{тяг Х} в значительной степени варьируется от угла φ_п, в данном случае пиковые значения (до 80 Н) обусловлено моментом заглубления рыхлительного зуба в почву.

Величину тягового сопротивления бороны в данном случае можно определить по следующей зависимости:

$R_{\text{агр}}=G_{\text{Б}}{f}_{\text{Б}}+n{P}_{\text{тяг\hspace{0.17em}}Х}$, (16)

где G_Б — вес бороны без рабочих органов, Н; f_Б — коэффициент сопротивления перекатыванию; n — общее количество фрагментов на цепных рабочих органах бороны, шт.

Экспериментальные исследования по оценке тягового сопротивления цепной бороны с разработанными рабочими органами проведены при выполнении операции мульчирования. В ходе лабораторно-полевых экспериментов использовалась разработанная широкозахватная цепная борона шириной захвата 18,0 м, оснащённая экспериментальным цепным рабочим органом в агрегате с трактором К-744Р3 (рис. 7), и тензоизмерительное оборудование, включающее тензозвено 7,0 тс, а также измерительно-вычислительный комплекс MIC-200 (рис. 8).

 

Рис. 7. Машинно-тракторный агрегат с экспериментальной цепной бороной.

Fig. 7. The machine-tractor unit with the experimental chain harrow.

 

Рис. 8. Тензоизмерительное оборудование: а — тензозвено 7 тс; b — измерительно-вычислительный комплекс MIC-200.

Fig. 8. The load measuring equipment: а: the 7 tf strain gauge; b: the MIC-200 measuring and computing facility.

 

На выбранном участке в соответствии с ГОСТ были определены условия проведения эксперимента. Тяговое сопротивление экспериментальной бороны определялось при трёх значениях рабочей скорости: 15, 18 и 21 км/ч. Эксперимент включал в себя два этапа, на первом, при указанных значениях рабочей скорости, оценивалось тяговое сопротивление бороны без рабочих органов G_Б f_Б, на втором этапе производилась оценка величины тягового сопротивления бороны R_агр в рабочем положении, непосредственно при мульчировании почвы. Данная схема эксперимента позволила определить при известном весе бороны величину коэффициента сопротивления перекатыванию f_Б, в соответствии с формулой (16). Ценные шлейфы обоих рядов были установлены под углом α=45°, передний ряд вразвал, задний ряд всвал. Одновременно при определении величины тягового сопротивления оценивалось буксование движителей трактора. Также определялась глубина обработки почвы после прохода машины.

Результаты и обсуждение

Условия проведения эксперимента представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Условие проведения эксперимента

Table 1. Conditions of conducting the experiment

Показатель	Значение
Вид работ	мульчирование почвы
Тип почвы и название по механическому составу	обыкновенный чернозём, тяжелый суглинок
Влажность почвы в слое, % 0–5 см 5–10 см	11 19
Твёрдость почвы по слоям, МПа 0–5 см 5–10 см	1,03 1,25
Предшествующая обработка	уборка зерновых с измельчением и распределением соломы по полю

 

Усредненные показатели, полученные в ходе энергетической оценки работы агрегата с экспериментальной бороной, представлены на рис. 9.

 

Рис. 9. Зависимость тягового сопротивления бороны без рабочих органов G_Б f_Б, в рабочем положении R_агр и буксования δ от скорости движения агрегата v_а .

Fig. 9. Dependence of traction resistance of harrow without working bodies G_Б f_Б, in the working position R_агр and slipping δ on machine velocity v_а .

 

Экспериментально установлено, что при увеличении рабочей скорости агрегата с 15 до 21 км/ч наблюдается прирост величины тягового сопротивления с 26,2 до 32,3 кН. Однако, следует обратить внимание, что с увеличением скорости на участке от 18 до 21 км/ч интенсивность прироста тягового сопротивления заметно снижается. Данный эффект можно объяснить тем, что при повышении скорости бороны снижается средняя глубина обработки почвы с 4,0 до 3,6 см. Учитывая выявленное обстоятельство, в качестве основной скорости при мульчировании почвы можно рекомендовать величину равную 18 км/ч.

Буксование движителей трактора на рассматриваемых режимах, в виду невысокой энергоемкости технологической операции, не превышает 3%. Коэффициент сопротивления перекатыванию, выявленный при протаскивании бороны без цепных шлейфов, составил 0,106…0,115 при скоростях движения 18 и 21 км/ч соответственно.

Расхождение теоретических и экспериментальных данных по величине тягового сопротивления не превышает 9%. В данном случае расхождение обуславливается снижением интенсивности увеличение тягового сопротивления при рабочей скорости равной 21 км/ч (рис. 10).

 

Рис. 10. Зависимость тягового сопротивления R_агр от рабочей скорости.

Fig. 10. Dependence of traction resistance R_агр on operating velocity.

 

Выводы

Получены математические зависимости, позволяющие определить величину тягового сопротивления цепного рабочего органа с «центральным» расположением рыхлительных зубьев в зависимости от конструкционных параметров. Выявлено, что тяговое сопротивление цепного рабочего органа определяется физико-механическими свойствами почвы, конструкционными параметрами рыхлительных зубьев (диаметр поперечного сечения, длина и угол заострения зуба).

На основании лабораторно-полевых экспериментов с широкозахватной цепной бороной, оснащенной усовершенствованными рабочими органами, установлено, что при изменении рабочей скорости агрегата с 15,0 до 21,0 км/ч тяговое сопротивление возрастает с 26,2 до 32,3 кН. Причем на скорости 21,0 км/ч отмечается снижение средней глубины обработки почвы с 4,0 до 3,6 см. На основании проведенных исследований можно рекомендовать в качестве основной рабочей скорости величину равную 18,0 км/ч.

Дополнительная информация

Вклад авторов. С.Д. Шепелёв — сбор статистической информации, планирование и реализация лабораторно-полевых экспериментов; М.В. Пятаев — обзор литературы, теоретические исследования, планирование и реализация лабораторного эксперимента; А.П. Зырянов — планирование и реализация лабораторно-полевых экспериментов; А.С. Шепелёв — планирование и реализация лабораторно-полевых экспериментов. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источник финансирования. Исследование и подготовка публикации проведены по результатам научно-исследовательской работы на тему «Обоснование конструкционных параметров и режимов работы цепной бороны для повышения эффективности процесса мульчирования почвы в условиях.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы была использована иллюстрация «Рис. 1. Разработанный рабочий орган для цепной бороны», опубликованная ранее ([doi: 10.47336/0131-7393-2023-3-14-15]).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Author contributions: S.D. Shepelev: collection of statistical information, planning and implementation of the laboratory-field experiments; M.V. Pyataev: literature review, planning and implementation of the laboratory experiment; A.P. Zyryanov: planning and implementation of the laboratory-field experiments; А.S. Shepelev: planning and implementation of the laboratory-field experiments. Thereby, 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.

Ethics approval: Not applicable.

Funding source: The study and preparation of the paper were conducted according to the results of the scientific research “Justification of design parameters and operation modes of a chain harrow for increasing the efficiency of the soil mulching process in the conditions of the South Urals”. Agreement No. 082-03-2024-245/3 from 25.04.2024

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or non-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: In creating this work, the illustration “Fig. 1. The developed working body for chain harrow”, published earlier ([doi: 10.47336/0131-7393-2023-3-14-15]), was used.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing is not applicable to this work, and no new data has been collected or created.

Generative AI: Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review: This paper was submitted to the journal on an initiative basis and was reviewed according to the usual procedure. Two external reviewers, a member of the editorial board and the scientific editor of the publication participated in the review.

作者简介

Sergey Shepelev

South Ural State Agrarian University

Email: nich@sursau.ru
ORCID iD: 0000-0003-2578-2005
SPIN 代码: 4848-4782

Dr. Sci. (Engineering), Professor

俄罗斯联邦, Chelyabinsk

Maxim Pyataev

South Ural State Agrarian University

编辑信件的主要联系方式.
Email: 555maxim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6570-5384
SPIN 代码: 2502-0737

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor

俄罗斯联邦, Chelyabinsk

Anton Zyryanov

South Ural State Agrarian University

Email: mtp-chgaa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8059-0642
SPIN 代码: 7411-0390

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor

俄罗斯联邦, Chelyabinsk

Аlexander Shepelev

South Ural State Agrarian University

Email: AlShep@ya.ru
ORCID iD: 0009-0008-6913-760X
SPIN 代码: 8846-1707

engineer

俄罗斯联邦, Chelyabinsk

参考

补充文件