Energy assessment of turbodisc cultivators for vertical tillage

Full Text

Вертикальная обработка почвы (ВОП) [1] появилась в США по системе no-till для выращивания кукурузы. Оборудование для ВОП разработано многими сельскохозяйственными производителями: Great Plains, McFarlane Manufacturing, Salford Group, Summers Manufacturing, Thurston Manufacturing, Earth Master, Kuhn Krause, Environmental Tillage Systems, HCC Inc., Case IH, Landoll Corp., Kongskilde Industries, Maschio и Sunflower [2].

ВОП имеет преимущества, которые заключаются в лучшем измельчении почвы и остатков, удалении их без полного заделывания [2].

Среди конструкций дисковых рабочих органов (ДРО) наибольший интерес представляют волнистые диски (ВД), у которых волны искривлены под углом, что позволяет ей заглубляться вертикально, а выглубляться горизонтально для измельчения растительных остатков (РО). Однако при этом существует проблема по измельчению и сгруживанию пожнивных остатков (ПО); забиванию ДРО почвой и РО и недостаточное ее крошение [3].

Известные ВД распространены на турбодисковых культиваторах (ТДК) фирм Salford, Агрифест-Экспресс и др., которые обрабатывают почву без формирования в ней уплотненного слоя [4].

Наибольшего успеха в производстве ВД, которые измельчают пожнивные остатки после уборки кукурузы, достигла фирма «Great Plains». ВД заглубляются до 15 см (Turbo-Coulter) для измельчения корневой системы. Турбодисковые культиваторы с ВД модели RTS фирмы «Salford» имеют высокую скорость - до 19 км/ч, что позволяет повысить производительность агрегата, но они не обеспечивают качественное измельчение РО в продольном направлении [5].

На серийных ТДК фирмы «Агрифест-Экспресс» установлены дисковые турбодиски (колтеры) [6] для рыхления почвы и измельчения РО [7].

Пружинные стойки на ТДК «Экспресс» работают на каменистых почвах.

Недостатки ТДК: сложная конструкция, высокая стоимость. При обработке почвы без растительных остатков путем многократного действия ДРО образуются эрозионно-опасные частицы [7].

Повысить качество ВОП [8] возможно путем снижения энергетических показателей ТДК.

Цель исследований: провести энергетическую оценку серийных ТДК для вертикальной обработки почвы.

Задача исследований: определить энергетические показатели ТДК при вертикальной обработке почвы в зависимости от глубины обработки.

Материал и методы исследований. Оценку ТДК проводили путем анализа их характеристик. Для анализа использовали ТДК фирм Агрифест-Экспресс (12 моделей) и Salford (21 модель).

Рассматривали следующие показатели: B – ширина захвата, м; Р – требуемая мощность, кВт; W – производительность, га/ч; Е – энергоемкость, кВт×ч/га; N_уд – удельная эффективность, кВт/га; K_уд – удельная мощность на 1 м ширины захвата, кВт/м.

Результаты исследований. Статистические значения характеристик ТДК фирм «Агрифест-Экспресс» и Salford представлены в таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1

Характеристики ТДК фирмы Агрифест-Эксперсс

Наименование показателя	В, м	Р, кВт	W, га/ч	E, кВт×ч/га	Nуд, кВт/га		Куд, кВт/м
					0,05м	0,06м
Среднее значение	8,26	167,35	11,96	14,09	406,05	100,16	20,30
Среднеквадратическое отклонение σ	2,86	57,08	4,36	0,92	16,41	6,05	0,82
$S_{\overline{\overline{x}}}$*	0,826	16,478	1,259	0,267	4,738	1,746	0,237
V, %*	34,64	34,11	36,46	6,56	4,04	6,04	4,04
$S_{\overline{\overline{x}}}$%*	10,00	9,85	10,53	1,89	1,17	1,74	1,17
Максимальное значение	14,20	272,13	21	16,55	427,30	110,33	21,36
Минимальное значение	3,90	80,9	6	12,96	383,28	92,01	19,16

* $S_{\overline{\overline{x}}}$ – ошибка выборочной средней; V, % - коэффициент вариации, %; $S_{\overline{\overline{x}}}$% - относительная ошибка выборочной средней

 

Таблица 2

Характеристики ТДК фирмы Salford

Наименование показателя	В, м	Р, кВт	W, га/ч	E, кВт×ч/га	Nуд, кВт/га		Куд, кВт/м
					0,05м	0,06м
Среднее значение	9,21	228,29	9,03	25,56	500,91	417,42	25,05
Среднеквадратическое отклонение σ	4,11	109,05	4,03	5,21	102,08	85,06	5,10
$S_{\overline{\overline{x}}}$	0,896	23,796	0,878	1,136	22,275	18,562	1,114
V, %	44,59	47,77	44,59	20,38	20,38	20,38	20,38
$S_{\overline{\overline{x}}}$%	9,73	10,42	9,73	4,45	4,45	4,45	4,45
Максимальное значение	15,54	444	15,23	35,86	702,79	585,66	35,14
Минимальное значение	3,66	70,5	3,59	19,66	385,25	321,04	19,26

 

Анализ представленных в таблицах 1 и 2 данных показывает, что:

1. ширина захвата ТДК составляет 8,26…9,21 м с ошибкой выборочной средней 0,826…0,896 м. Максимальное значение – 14,2…15,54 м и минимальное в пределах 3,66…3,90 м. Разница между минимальными значениями не существенная;
2. требуемая мощность трактора находится в пределах 167,35…228,29 кВт (228…310 л.с.) с ошибкой выборочной средней 16,478…23,796 кВт. Максимальное значение – 272,13…444 кВт и минимальные – 70,5…80,9 кВт;
3. производительность ТДК – 9,03…11,96 га/ч с ошибкой выборочной средней 0,878…1,259 га/ч. Максимальное значение – 15,23…21,0 га/ч и минимальное – 3,59…6,0 га/ч. Разница составила 24,5 % при относительной ошибке выборочной средней 9,73…10,53 %;
4. энергоемкость варьируется в пределах 14,09…25,56 кВт×ч/га с ошибкой выборочной средней 0,267…1,136 кВт×ч/га. При этом относительная ошибка выборочной средней – 1,89…4,45 %, то есть точность результатов высокая;
5. удельная его эффективность при глубине обработки 0,05 м составляет 406,05…500,91 кВт/га и 0,06 м – 100,16…417,42 кВт/га при , точность результатов высокая;
6. удельная мощность на 1 м ширины захвата – 20,30…25,05 кВт/м при , то есть точность результатов высокая.

Энергетические показатели ТДК фирм Агрифест-Экспресс и Salford приведены на рисунках 1 и 2.

 

Рис. 1. Энергетические показатели ТДК фирмы Агрифест-Экспресс

 

По данным сайта «Агробаза» производство турбодисковых культиваторов RTS1221…5185 befolf прекращено в 2014 г. Наименьшая энергоемкость ТДК фирмы Агрифест-Экспресс (рис. 1) наблюдается у марки ТДК-1420/96 (12,95 кВт×ч/га), наибольшая – у ТДК-600/40 при площади обработки 0,000071…0,000288 га по сравнению с 0,0000345…0,00012 га. Удельная эффективность – ТДК-690/48 составляет 92,01 кВт/га, ТДК-1420/96 - 383,28 кВт/га по сравнению с марками ТДК-600/40 (110,33 кВт/га), ТДК-1050/72 (427,24 кВт/га) при разной глубине обработки. При этом удельная мощность на 1 м ширины захвата ТДК минимальна у ТДК-1420/96 (19,16 кВт/м), ТДК-600/40 (19,19 кВт/м), ТДК-690/48 (19,20 кВт/м) в сравнении с ТДК-750/52 (21,07 кВт/м) и ТДК-1050/68 (21,36 кВт/м).

 

Рис. 2. Энергетические показатели ТДК фирмы Salford

 

Наименьшие энергетические показатели у модели RTS1221 фирмы Salford (рисунок 2), который способен при ВОП обработать площадь 0,000018…0,000022 га по сравнению с RTS I-4200 3 секции – 0,000039…0,000047 га.

Заключение. Турбодисковые культиваторы фирмы Salford имеют больше ширину захвата по сравнению с Агрифест-Экспресс, а также для них необходимы тракторы мощностью свыше 310 л.с., диапазон изменения требуемой мощности – 96…604 л.с., также их производительность ниже по сравнению с Агрифест-Экспресс. Средние значения энергетических показателей ТДК фирмы Salford выше по сравнению с Агрифест-Экспресс с разницей: Е = 45, N_уд = 19…76 % при разной глубине обработки и К_уд = 19 %.

При всем многообразии моделей наибольшее распространение получила модель ТДК-1420/96 фирмы Агрифест-Экспресс, которая имеет следующие энергетические показатели: энергоемкость – 12,95 кВт×ч/га, удельная эффективность – 383,28 кВт/га, удельная мощность на 1 м ширины захвата – 19,16 кВт/м. Данный ТДК позволяет обработать площадь 0,000071…0,000288 га при глубине обработки 0,05…0,06 м с минимальными энергетическими затратами.

При постоянной глубине обработки использование ВОП повышает площадь обработки.

About the authors

Igor E. Priporov

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Author for correspondence.
Email: i.priporov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8201-2819

Candidate of Technical Sciences

Russian Federation, Krasnodar

Vladimir S. Kurasov

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: kurasoff@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1733-9436

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Krasnodar

Vladimir I. Batsunov

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

Email: vovasvovas70@bk.ru
ORCID iD: 0009-0001-2865-3674

Postgraduate

Russian Federation, Krasnodar

References

Supplementary files