Theoretical studies of a disc coulter with grooves in the form of an epicycloid along the contour

Full Text

Обеспечение лучшей урожайности зерновых и зернобобовых культур во многом зависит от качества своевременно выполненных посевных работ. Для создания благоприятных условий семенам при посеве необходимо обеспечить их равномерное распределение по глубине заделки и площади. В настоящее время на современных пневматических зерновых сеялках используются лаповые, однодисковые или двухдисковые сошники для заделки семян. Однодисковые и двухдисковые сошники имеют существенные тяговые характеристики, однако не могут обеспечить подходящее копирование рельефа поля, образовывая обширную борозду, которую нелегко заделать. Всё вышеперечисленное сказывается отрицательно на равномерности распределения семян зерновых и зернобобовых культур как по длине рядка, так и по глубине заделки. Установлено, что наиболее многообещающим направлением повышения подходящих показателей работы посевной машины или агрегата является оснащение зерновых сеялок дисковыми сошниками, по контуру которых имеются канавки в виде эпициклоиды [1].

Цель исследований – повышение качества посева зерновых культур разработкой и применением сошника с копирующим колесом пневматической сеялки, позволяющего повысить равномерность распределения семян по глубине посева.

Задачи исследований – обосновать и разработать конструктивно-технологическую схему и конструкцию сошника пневматической сеялки, для посева семян зерновых культур с учетом их физико-механических свойств; выполнить теоретические исследования технологического процесса посева семян зерновых культур экспериментальным сошником.

Материал и методы исследований. Теоретические методы исследования основывались на принципах классической механики, математического анализа, моделирования и математической статистики, теории почвенных элементов, рабочих процессов посевных и посадочных машин и др. По результатам аналитического обзора современных конструкций сошников и на основе литературных источников определили, что для укладки и заделки семян зерновых культур и гранул минеральных удобрений при их внесении, для качественного посева в наибольшей степени подходят дисковые сошники, по контуру которых имеются канавки в виде эпициклоиды. Однако они имеют ряд недостатков, к которым относятся: низкое качество измельчения глыбистой почвы и низкая равномерность распределения семян по глубине посева на полях с большим количеством пожнивных остатков, что приводит к снижению урожайности. Всё это снижает качество посева, что приводит к снижению урожайности культуры и повышению себестоимости продукции. Для улучшения оценочных показателей качества укладки и заделки семян зерновых культур при их внесении дисковыми сошниками, по контуру которых имеются канавки в виде эпициклоиды, необходимо учесть недостатки [2].

На кафедре механизации технологический процессов в АПК Пензенского ГАУ изготовлен дисковый сошник (Патент №215855 РФ. Дисковый сошник. Шумаев В. В., Сипунов В. А.) (рис. 1), содержащий кронштейн 5, на оси которого расположен плоский диск 1, по контуру которого имеются канавки в форме эпициклоиды 6. Ниже оси кронштейна 5 установлен клапан 2 и накладка 3, выше оси – обтекатель 4.

 

Рис. 1. Дисковый сошник: 1 – плоский диск; 2 – клапан; 3 – накладка; 4 – обтекатель; 5 – кронштейн; 6 – канавки по контуру в форме эпициклоиды

 

Дисковый сошник работает следующим образом. При перемещении дискового сошника плоский диск 1 с канавками по контуру в форме эпициклоиды 6 разрушает крупные почвенные элементы, разрезает пожнивные и корневые остатки растений и сорняков, одновременно раздвигая их в стороны, образуя бороздку на заданной глубине. У дискового сошника предусмотрена накладка 3, которая плотно прилегает к плоскому диску 1 и служит для очистки прилипшей почвы, пожнивных и корневых остатков. Семена из высевающего аппарата, поступающие по семяпроводу сеялки, через обтекатель 4 попадают на клапан 2 и скатываются на дно бороздки. После перемещения плоского диска 1 стенки бороздок осыпаются и закрывают высеянные семена. Так как данный сошник применен впервые, то в задачу теоретических исследований входит определение необходимых конструктивных параметров [3, 4].

Результаты исследований. Диск сошника имеет канавки в виде эпициклоиды. В процессе взаимодействия с почвой диск должен разрушать крупные почвенные элементы, разрезать пожнивные и корневые остатки растений, одновременно раздвигая их в стороны, образуя бороздку заданной глубины [5].

При встрече с крупными почвенными элементами диск сошника должен перекатываться через них и не образовывать впереди себя свал. При перекатывании через почвенный элемент давление диска сошника концентрируется на линии контакта, и почвенный элемент разрушается или вдавливается в почву без образования свала [6, 7, 8]. Характер взаимодействия диска сошника с почвой зависит от его диаметра и размеров почвенных элементов (например, перед тяжелым катком небольшого диаметра образуется высокий почвенный валик, в результате чего почвенные элементы перемещаются вперед) [9, 10].

Если диск сошника встречает расположенный на поверхности поля достаточно крупный почвенный элемент (рис. 2), то от действия силы давления Р диска сошника возбуждаются сила трения F₂ между диском сошника и почвенным элементом и сила трения F₁ между почвенным элементом и поверхностью почвы. Защемление почвенного элемента между диском сошника и поверхностью поля происходит при условии:

Р₂ ≤ F₁ + F₂ cos δ. (1)

Однако

Р₂ = Р sin δ, (2)

F₂ = Р tg φ₂, (3)

F₁ = N tg φ₁, (4)

где φ₁ – угол трения почвы о почву; φ₂ – угол трения почвы о диск сошника.

N = PВ + F2 sin δ = P cos δ + P tg φ2 sin δ. (5)

 

Рис. 2. Схема сил при взаимодействии дискового сошника с комком почвы: Р – сила давления диска сошника; F₁ – сила трения между почвенным элементом и поверхностью почвы; F₂ – сила трения между диском сошника и почвенным элементом; h – глубина борозды; ω – угловая скорость диска сошника; P₁ – горизонтальная составляющая силы давления диска сошника; P₂ – вертикальная составляющая силы действия диска сошника; δ – угол между вертикалью и точкой контакта диска сошника с почвенным элементом; N – вертикальная составляющая реакции

 

Предельным является случай, когда почвенный элемент имеет форму шара (рис. 3) [11].

 

Рис. 3. Схема к определению условий перекатывания: r_дс – радиус диска сошника; r_пэ – радиус почвенного элемента; v – линейная скорость перемещения дискового сошника

 

При этом

АВ = r_пэ + r_пэ cos δ = r_дс - r_дс cos δ

или

r_пэ (1 + cos δ) = r_дс (1 - cos δ).

Решив полученное выражение относительно r_пэ, получим максимальный радиус почвенного элемента, который будет защемляться и в дальнейшем разрушаться или вдавливаться в почву диском сошника радиусом r_дс без перемещения вперед:

r_{пэ max} = r_дс (1 - cos δ) / (1 + cos δ) = r_дс tg² (δ / 2). (6)

Выразив r_дс через r_пэ, получим минимальный радиус диска сошника, обеспечивающий защемление почвенного элемента радиусом r_пэ [11, 12]:

r_{дс max} = r_пэ ctg2 (δ/2). (7)

Для наглядного представления взаимосвязи размера диска сошника и свойств почвы построим графическое изображение (рис. 4), полагая что радиус диска сошника r_дс должен находиться в диапазоне от 225 до 405 мм, при этом угол между вертикалью и точкой контакта диска сошника с почвенным элементом δ будет находиться в диапазоне от 20º до 40º (полагаем, что дисковый сошник изготовлен из углеродистой стали, взаимодействует со среднесуглинистой почвой с влажностью от 10 до 20%, при этом δ ≤ φ₁ + φ₂ , где угол φ₁ находится в диапазоне от 14º до 42º, а φ₂ находится в диапазоне от 17º до 22º). Представленные значения подставим в формулу (6). Результаты обрабатывали, используя программу Mathcad 14.0.

 

Рис. 4. График зависимости радиуса диска сошника (r_дс) от радиуса почвенного элемента (r_пэ)

 

Из графика зависимости видно, что при минимальном радиусе диска сошника 225 мм возможно защемить почвенный элемент радиусом до 30 мм без образования свала перед сошником. Более крупные фракции почвенных элементов будут незначительно перемещаться вперед до момента западания в канавку диска сошника, выполненного в виде эпициклоиды (в результате чего происходит защемление почвенного элемента, его разрушение или перекатывание через него). При выборе диска сошника максимального радиуса 405 мм возможно работать на почвах, где присутствуют почвенные элементы радиусом до 53,6 мм (необходимо отметить, что в соответствии с агротехническими требованиями почвенные элементы данного размера должны отсутствовать).

Заключение. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить радиус почвенного элемента при определённом диаметре диска сошника. Установлено, что целесообразно выбрать диск сошника с радиусом 225-250 мм для работы с почвенными элементами до 30-32 мм, в случае появления на поверхности поля более крупных почвенных элементов они будут разрушаться благодаря наличию канавок по контуру, выполненных в виде эпициклоиды. Дисковый сошник обеспечивает наилучшее разрезание пожнивных остатков, крошение глыбистой почвы, что способствует повышению равномерности распределения семян по глубине посева и, как следствие, увеличению урожайность зерновых культур.

About the authors

Vladislav A. Sipunov

Penza State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: derton.bad@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-4271-1752

postgraduate student

Russian Federation, Penza

Vasily V. Shumaev

Penza State Agrarian University

Email: shumaev.v.v@pgau.ru
ORCID iD: 0000-0002-6912-084X

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Penza

Elena V. Fudina

Penza State Agrarian University

Email: derton.bad@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5372-4764

Candidate of Economic Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Penza

References

Supplementary files