Техніка та енергетика

Аналітичні обґрунтування конструктивних параметрів біонічних колтерів для вертикального обробітку ґрунту

Ельчин Алієв, Геннадій Теслюк
Завантажити статтю
Анотація

Біонічні колтери імітують природні форми та функції, які дозволяють знизити енергетичні витрати на обробку ґрунту. Мета досліджень була обґрунтування конструкції і конструктивні параметри турбодисків (колтерів) для вертикального обробітку ґрунту спираючись на принципи біонічного зворотного інжинірингу. Враховуючи цей метод визначено рівняння форми турбодисків (колтерів), яке отримано в результаті апроксимації мушлі аргонавта (Argonauta argo). Рівняння враховує основні конструктивні параметри турбодисків: діаметр Dd, висота вирізу Hm, висота хвилі Hw, кількість вирізів n, коефіцієнт спіралеподібності k. В результаті аналітичних досліджень процесу взаємодії суцільного диска з рослинними рештками визначено раціональне значення його діаметра Dd=460 мм при умові занурення стебелів товщиною 10-20 мм, на глибину 80 мм. Аналітичні дослідження підтвердили, що наявність вирізів на диску унеможливлює відштовхування стебла і забезпечує його кращій захват. При цьому аналізуючи отримані залежності у програмному пакеті Wolfram Cloud визначені раціональні значення вирізів: висота вирізу  Hm=40 мм, кількість вирізів n=8.  Наявність хвиль в площині диску забезпечує незалежність процесу взаємодії з рослинними залишками від їх розташування на поверхні поля та створює умови для вертикальної обробки ґрунту. Встановлено, що при умові мінімізації питомого опору різання і максимізації ступеня подрібнення ґрунту раціональними параметрами хвилі колтера є висота хвилі Hw=24,4 мм.  Обґрунтовані параметри колтерів забезпечують найкращий баланс між ефективністю подрібнення ґрунту і зниженням енергетичних витрат на обробку ґрунту. Отримані результати можна використати для адаптування існуючої сільськогосподарської техніки під нові конструктивні параметри колтерів для підвищення її ефективності

Ключові слова

вертикальний обробіток ґрунту, турбодиск, форма, мушля, аргонавти, аналітичні дослідження

ЦИТУВАТИ
Aliiev, E., & Tesliuk, H. (2024). Analytical justifications of constructive parameters of bionic colters for vertical soil treatment. Machinery & Energetics, 15(3), 129-139. https://doi.org/10.31548/machinery/3.2024.129
Використані джерела

[1] Belovol, Yu.Yu. (2014). Setting the parameters of the vertical milling adapter for smoky soil processing. Scientific Journal “ScienceRise”, 2(2), 98-104. doi: 10.15587/2313-8416.2014.27275.

[2] Contreras-Figueroa, G., & Aragón, J. L. (2023). A mathematical model for mollusc shells based on parametric surfaces and the construction of theoretical morphospaces. Diversity, 15(3), article number 431. doi: 10.3390/d15030431.

[3] Finn, J.K., & Norman, M.D. (2010). The argonaut shell: Gas-mediated buoyancy control in a pelagic octopus. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 277(1696), 2967-2971. doi: 10.1098/rspb.2010.0155.

[4] Hoving, H.J.T., Amon, D., Bodur, Y., Haeckel, M., Jones, D.O.B., Neitzel, P., Simon-Lledó, E., Smith, C.R., Stauffer, J.B., Sweetman, A.K., & Purser, A. (2022). The abyssal voyage of the argonauts: Deep-sea in situ observations reveal the contribution of cephalopod egg cases to the carbon pump. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 183, article number 103719. doi: 10.1016/j.dsr.2022.103719.

[5] Kirichenko, V.E., Bolotashvili, Z.U., & Bolotashvili, E.P. (2011). Justification of the design and regime parameters of the disk section when operating on wet soils. Scientific Bulletin of Luhansk National Agrarian University. Series: Technical Sciences, 30, 13-32.

[6] Kobets, A.S., Ishchenko, T.D., Volyk, B.A., & Demidov, O.A. (2009). Mechanical and technological properties of agricultural materials. Dnipro: RVV DDAU.

[7] Kobets, A.S., Volyk, B.A., & Pugach, A.M. (2011). Soil tillage machines: Theory, design, calculation. Dnipro: A.L. Svidler Publishing House.

[8] Kozachenko, O., Aliiev, E., & Sedykh, K. (2021). Results of investigation of the spring shank disc harrow performance. UPB Scientific Bulletin, Series D: Mechanical Engineering, 83(4), 123-140.

[9] Larsson, J., Westram, A.M., Bengmark, S., Lundh, T., & Butlin, R.K. (2020). A developmentally descriptive method for quantifying shape in gastropod shells. Journal of the Royal Society Interface, 17(163), article number 20190721. doi: 10.1098/rsif.2019.0721.

[10] Oudot, M., Shir, I.B., Schmidt, A., Plasseraud, L., Broussard, C., Neige, P., & Marin, F. (2020). A nature’s curiosity: The argonaut “shell” and its organic content. Crystals, 10(9), article number 839. doi: 10.3390/cryst10090839.

[11] Piccat, J. (2006). Patent US 2006/0144600 A1 “Wavy farming disc”. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US20060144600A1/en.

[12] Roccatano, D. (2018). Modeling natural shapes: Seashells. Retrieved from https://daniloroccatano.blog/2018/07/09/modelling-seashell-using-maple/.

[13] Semenyuta, A.M. (2014). Justification of the design scheme, parameters and modes of operation of the disk plow. (PhD thesis, Tavria State Agrotechnological University, Melitopol, Ukraine).

[14] Shevchenko, I.A. (2001). Justification of the geometric parameters of disk working bodies. Proceedings of TDATA, 2(16), 13-20.

[15] Sobolevsky, I.V., Pashtetskiy, V.S., & Kalafatov, I.I. (2021). Substantiation of the parameters of the working bodies of undulating disks of soil-cultivating harrows with a bionic approach. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 845, article number 012140. doi: 10.1088/1755-1315/845/1/012140.

[16] Teslyuk, G.V., Volik, B.A., Sokol, S.P., Kobets, O.M., & Semenyuta, A.M. (2016). Soil-forming units based on disk working parts. Dnipro: DDAEU.

[17] Torotwa, I., Ding, Q., Alele, J.O., & He, R. (2022). 3D finite element analysis of the tillage and straw cutting performance of a curved-edged toothed disc. Engenharia Agrícola, 42(2), article number e20210190. doi: 10.1590/1809-4430-eng.agric.v42n2e20210190/2022.

[18] Zeng, Z. (2019). Soil tool residue interactions: Measurements and modelling. (PhD thesis, University of Manitoba, Winnipeg, Canada).

[19] Zeng, Z., Thoms, D., Chen, Y., & Ma, X. (2021). Comparison of soil and corn residue cutting performance of different discs used for vertical tillage. Scientific Reports, 11, article number 2537. doi: 10.1038/s41598-021-82270-9.

[20] Zhao, J.L., Lu, Y., Guo, M.Z., Fu, J., & Wang, Y.J. (2021). Design and experiment of bionic stubble breaking-deep loosening combined tillage machine. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 14(4), 123-134. doi: 10.25165/j.ijabe.20211404.6473.