Justification of the main design parameters of slat-wave roller

Full Text

Современные технологии обработки почвы требуют повышения эффективности работы сельскохозяйственных орудий при одновременном снижении энергозатрат и обеспечении требуемой структуры и плотности почвы. Одним из перспективных направлений является совершенствование конструкции рабочих органов катков, обеспечивающих качественное уплотнение и разрушение почвенных комков.

Нами предложен планчато-волновой каток, конструктивные особенности которого позволяют добиться более равномерного распределения нагрузки на почву и повышения качества её предпосевной обработки в составе с комбинированным агрегатом «Твист-8».

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оптимизации геометрических и силовых параметров планчато-волнового катка с целью повышения его агротехнической эффективности. От правильного выбора радиуса катка, количества ребер, и характера взаимодействия с почвой напрямую зависит качество уплотнения, степень разрушения комков, а также предотвращение переуплотнения почвы на глубине заделки семян.

Цель исследований: выполнить теоретическое обоснование основных конструктивных параметров планчато-волнового катка.

Задачи исследований: определить основные конструктивные параметры планчато-волнового катка, оказывающие непосредственное влияние на качество поверхностной обработки почвы, такие как форма желоба, расстояние между соседними желобами, количество ребер (планок), и давление, оказываемое рабочей поверхностью катка на почву.

Материал и методы исследований. Культиватор «Твист-8» (рис. 1), который представляет собой современное сельскохозяйственное орудие, предназначенное для выполнения широкого спектра агротехнических операций, таких как рыхление почвы, уничтожение сорняков, подготовка почвы к посеву и уход за посевами, содержит планчатые катки, основная задача которых – разрушение крупных комков почвы. Данная модель культиватора разработана с учетом актуальных требований сельского хозяйства, в котором ключевое значение имеют: повышение производительности труда, снижение энергозатрат и минимизация негативного воздействия на окружающую среду.

 

Рис. 1. Культиватор «Твист-8»

 

Несмотря на значительные преимущества культиватора «Твист-8», а именно, его универсальность, высокая производительность и адаптивность к различным типам почв, катки, входящие в его состав, не обеспечивают требуемого качества прикатывания вследствие несовершенства своей конструкции. Расстояние между планками в разы превышает максимально допускаемый по агротехническим требованиям размер комка почвы, что не дает возможности обеспечить требуемую структуру почвы. Также, из-за того, что планки катков в поперечном сечении представляют собой прямоугольник, только узкая сторона которого непосредственно входит в контакт с почвой, это не позволяет уплотнить почву до требуемых значений [1, 2]. Следовательно, совершенствование конструкции катка культиватора, позволяющее привести показатели его работы в соответствие с агротребованиями к прикатыванию почвы, является актуальной и важной задачей.

Результаты исследований. Приняв во внимание сказанное выше, нами предложена новая конструкция планчато-волнового катка, учитывающая недостатки катка культиватора «Твист-8» и выполненная с использованием основных конструктивных элементов серийного катка. При этом предлагаемый каток был оснащен дополнительными уплотняющими элементами, которые выполнены в виде расположенных параллельно оси катка перфорированных желобов. Перфорация желобов необходима для разрушения крупных почвенных комков, в том числе повышенной твердости, при этом радиус отверстий приняли не превышающим половины допускаемого агротребованиями размера почвенного комка [3].

Выполним обоснование конструктивных параметров желобов планчато-волнового катка.

Отверстия в желобах выполнены в шахматном порядке (рисунок 2), а их количество можно рассчитать по следующей формуле:

$n_{отв}=\frac{Bk}{r_{отв}},$ (1)

где B – ширина катка, мм; r_отв – радиус отверстия, мм; k – коэффициент прочности.

 

Рис. 2. Схема расположения отверстий в желобах

 

При таком расположении отверстий и ширине катка 2 м, их количество на одном желобе может варьироваться от 26 до 32.

При взаимодействии жёлоба с почвой в ней формируется углубление по дуге XY (рисунок 3), образованное непосредственно формой уплотняющего элемента (жёлоба). Его высота:

$h_{к}=R\cdot \sin \alpha \cdot tg\beta$, (2)

где R – радиус изгиба желоба, м; α – угол, с вершиной на оси катка, расположенный между центром желоба и его крайней точкой, град.; β – угол распределения давления в почве, отсчитываемый от крайней точки желоба, град.

 

Рис. 3. Схема взаимодействия желоба с почвой

 

При увеличении ширины желоба глубина уплотнения становится меньше, так как с увеличением ширины рабочей поверхности при одинаковой длине желоба снижается давление при одной и той же массе катка, следовательно, снижается и глубина уплотнения катком почвы [4].

Максимальная плотность почвы в зоне уплотнения жёлобом достигается при его внедрении на глубину, равную его высоте (высоте сегмента трубы, из которой выполнены желоба). Дальнейшее заглубление желоба ведет лишь к увеличению глубины распространения уплотнения, что вызовет переуплотнение почвы на глубине заделки семян.

Глубина зоны распространения уплотняющего воздействия катка

$h_1=R\cdot \cos \alpha +(\frac{L}{2}-R\cdot \sin \alpha )\cdot ctg\beta$, (3)

где L – расстояние между центрами соседних желобов, м.

Выразим из формулы 3 расстояние между центрами соседних желобов:

$L=\frac{2(h_1-R\cdot \cos \alpha +R\cdot \sin \alpha \cdot ctg\beta )}{ctg\beta }$. (4)

Для определения расстояния R_k, на которое удалены центры желобов относительно центральной оси катка (радиуса катка) рассмотрим случай, когда в почву внедряется только один жёлоб и глубина его погружения равна высоте желоба h_к. На рисунке 4 представлена схема к определению расстояние между желобами.

$L^2=2{R_k}^2-2{R_k}^2\cos 2\gamma$, (5)

где g – угол между касательной к центру желоба А и линией АВ, соединяющей центры соседних желобов, град.

 

Рис. 4. К определению расстояния между центральной осью катка и центрами желобов

 

Зная, что cos2γ = 1 – 2sin²γ, после преобразований уравнения (5) получим:

$R_k=\frac{L^2}{2R}$. (6)

Следовательно, с учетом размеров основных конструктивных элементов катка культиватора «Твист-8», радиус планчато-волнового катка может варьироваться от 0,175 м до 0,3 м.

Выполним обоснование конструктивных параметров ребер планчато-волнового катка.

Для определения степени заглубления катка в почву необходимо определить угол защемления почвенного комка, при котором произойдет его качественное разрушение. Для выполнения поставленного условия угол защемления комков τ должен быть меньше суммы внешнего и внутреннего углов трения, т.е.

$\tau <{\sigma }_1+{\sigma }_2,$ (7)

где ϭ₁ и ϭ₂ – соответственно углы трения комков о рабочую поверхность катка и о почву, град.

Рассмотрим случай, когда на пути планчато-волнового катка встречается почвенный комок круглой формы (рис. 5), тогда оптимальное заглубление катка в почву

$h_{заг}=R_k-R_k\cos \tau -r_k(1+\cos \tau ),$ (8)

где R_k – радиус катка, м; r_k – радиус комка, м.

 

Рис. 5. К определению радиуса планчато-волнового катка

 

Отсюда с учетом формулы 7, величина заглубления катка в почву будет определяться следующим образом:

$h_{заг}<R_k(1-\cos ({\sigma }_1+{\sigma }_2\left)\right)-r_k(1+\cos ({\sigma }_1+{\sigma }_2\left)\right)$. (9)

Количество ребер катка n определим из условия, что в процессе работы как минимум одна планка должна находиться в контакте с почвой:

$n\ge \frac{360}{\arccos \left(\right(R_k-h_{заг})/R_k)}$ (10)

Проанализировав представленные выше формулы, можно заключить, что количество ребер катка зависит от радиуса катка и величины его заглубления в почву. Далее, путем вычислений с использованием программного пакета MatchCad, нами было установлено, что количество ребер должно быть не менее 8 [5-10].

Одними из основных факторов, оказывающих непосредственное влияние на качество поверхностной обработки почвы разработанным планчато-волновым катком, являются условия взаимодействия рабочей поверхности с почвой и оказываемое ей давление на почву (рис. 6) [11].

 

Рис. 6. К определению давления, оказываемого на почву ребром катка

 

Площадь рабочей поверхности желоба

$S_{ж}=\pi \cdot (\frac{\lambda }{360°}2RB-n_{отв}{r}_{отв}^2)$, (11)

где λ – угол желоба, град.

Взяв во внимание, что при работе катка с почвой взаимодействует лишь половина каждого из соседних желобов и планка между ними, нами было принято, что суммарное пятно контакта

$S_{к}=S_{ж}+Bb$, (12)

где b – ширина ребра, мм.

Давление на почву, оказываемое рабочей поверхностью катка, можно определить по формуле [12, 13, 14]:

$P=G+Q=R^{\text{'}}=q_{см}\cdot h_{заг}\cdot (S_{ж}+B\cdot b),$ (13)

где G – сила тяжести катка, Н; Q – дополнительная вертикальная нагрузка, Н; R^’ – реакция почвы, Н; q_см – коэффициент объемного смятия почвы (от 1…2 Н/см³ для свежевспаханной почвы).

Проведенные сравнительные исследования планчато-волнового катка с принятыми конструктивными параметрами показали, что его качество работы лучше, чем у серийного катка культиватора «Твист-8». Так, коэффициент качества прикатывания k_сэ, оценивающий соответствие плотности и структуры почвы агротехническим требованиям, у предлагаемого планчато-волнового катка составляет 0,94, а у серийного катка – 0,686 [15].

Заключение. Полученные в рамках теоретического исследования конструкции планчато-волнового катка зависимости позволяют определить геометрические характеристики желобов, оптимальное расстояние между ними, радиус катка, а также глубину смятия почвы и количество ребер в зависимости от условий работы катка и свойств почвы.

В результате расчетов выявлено, что радиус планчато-волнового катка должен варьироваться в пределах от 0,175 м до 0,3 м при наличии в конструкции не менее 8 ребер, желоба поперечном сечении должны представлять собой сегменты, а количество отверстий в перфорированном желобе должно колебаться от 26 до 32.

Проведенные сравнительные исследования планчато-волнового катка с принятыми конструктивными параметрами доказали, что эффективность его работы на 37 % выше по сравнению с серийным катком культиватора «Твист-8» при её оценке по коэффициенту качества прикатывания.

About the authors

Vladimir I. Kurdyumov

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: bgdie@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1603-1779

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Ulyanovsk

Vyacheslav E. Proshkin

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: veproshkin1993@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0307-3411

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ulyanovsk

Evgeniy N. Proshkin

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: proshkin1921@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-3900-1413

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ulyanovsk

Roman V. Bogatsky

Ulyanovsk State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: gerald7337@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-2170-3430

Student

Russian Federation, Ulyanovsk

References

Supplementary files