The method for comparing different blade shapes of flat knives of a rotary cultivator

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: In the process of tillage, flat knives of rotary cultivators are to carry out the process of cutting soil and weeds with minimal energy consumption and not to become clogged with weeds, which is due to the compliance of the parameters of their blades with operating conditions. However, despite the abundance of works devoted to the study of the working process of flat knives of rotary cultivators, there is not any method of a comparative assessment of the various shapes of their blades.

AIM: Development of the method for comparing different blade shapes of flat knives of rotary cultivators.

METHODS: The research design included studying the following issues: clarifying the conditions for weeds to fall off the curved blade of a flat knife performing a plane-parallel movement; determining the equation of the curve of a knife blade that satisfies the condition of weeds to fall off the blade; development of methods for comparative analysis of the energy intensity of the process of cutting soil with flat knives with blades of various shapes; experimental verification of theoretical conceptions.

The study objects were the processes of interaction of weeds and soil with the blades of flat knives of various shapes. The studies were conducted during 2022 and 2023.

RESULTS: The condition for weeds to fall off the curved blade of a flat knife performing a plane-parallel movement has been clarified (a more informative form of notation), based on which an equation for the rational curve of the blade has been obtained. The comprehensive method has been developed for comparing different shapes of blades of flat knives of rotary cultivators, according to the criteria of compliance with the condition of weeds to fall off the blade and the energy intensity of soil cutting. Examples of the application of the method for the analysis of various shapes of blades of flat knives of rotary cultivators and the development of one of the effective shapes, as well as the results of experimental studies are given.

CONCLUSION: The proposed method helps to give specific practical recommendations on the advisability of using knives of one shape or another in the operating conditions under consideration, taking into account the operating parameters of the machines, as well as to create effective combined blades.

About the authors

Anatoly B. Kudzaev

Gorsky State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: akudzaev@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-5973-9932
SPIN-code: 2310-4400
Scopus Author ID: 57195590602

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Technical Systems in Agribusiness Department

Russian Federation, Vladikavkaz

Rita V. Kalagova

North Ossetian State Medical Academy

Email: kudzaevaf@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-6670-8704
SPIN-code: 2930-6180

Cand. Sci. (Chemistry), Associate Professor of the Chemistry and Physics Department

Russian Federation, Vladikavkaz

References

  1. Rotary Cultivator Market-Industry Analysis and Forecast 2023-3039: by Blade, Power, End-User, and Region. [internet] Accessed: 6.11.2023. Available from: https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/global-rotary-cultivator-market/71467/#
  2. Sexson BS. Land-Pulverizer. Patent US503006A. Patented August 8, 1893. Accessed: 7.11.2023. Available from: https://patents.google.com/patent/US503006A/en
  3. Johnson CN, Stephenson WH, Nash JH. Rotor blade for rotary cultivators. Patent US2679200, Patented May 25, 1954. Accessed: 6.11.2023. Available from: https://patents.google.com/patent/US2679200A/en
  4. Sakai J. Theoretical Approach to the Hand Tractor of Rotary Tillage. JARQ. 1974;8(3):153–158. Accessed: 8.11.2023. Available from: https://www.jircas.go.jp/sites/default/files/publication/jarq/08-3-153-158_0.pdf
  5. Sakai J. Designing Process and Theories of Rotary Blades for Better Rotary Tillage (Part 1). JARQ. 1978;12(2):86–93. Accessed: 8.11.2023. Available from: https://www.jircas.go.jp/sites/default/files/publication/jarq/12-2-086-093_0.pdf
  6. Sakai J, Shibata J, Tagushi T. Design Theory of Edg-Curves for Rotary Blades of Tractors. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery. 1976;38(2):183–190. doi: 10.11357/jsam1937.38.183
  7. Ju J-S, Luan J-M, Cheng C-W. Trajectory Angles and Cultivating Dynamics for Tiller Blades. Journal of Agricultural Machinery. 2004;13(1):1–15. doi: 10.30062/JAM.200403.0001
  8. Mc Keys E. Soil Cutting and Tillage. New York. Elsevier. 1985.
  9. Karmakar S. Numerical Modeling of Soil Flow and Pressure Distribution on a simple Tillage Tools using Computational Fluid Dynamics. [Internet]. Saskatoon: University of Saskatchewan. 2005. Accessed: 9.11.2023. Available from: https://harvest.usask.ca/bitstream/handle/10388/etd-10282005-081153/PhD_Thesis_KARMAKAR_Subrata.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  10. Aluko O.B. Finite element aided brittle fracture force estimation during two-dimensional soil cutting. Int. Agrophysics. 2008;22:5–15 Accessed: 8.11.2023. Available from: http://www.international-agrophysics.org/pdf-106465-37307?filename=Finite%20element%20aided.pdf
  11. Hongbo Z, Hongwen L, Shaochun M, et al. The Effect of Various Edge-Curve Types of Plain-Straight Blades for Strip Tillage Seeding on Torque and soil Disturbance using DEM. Soil and Tillage Research. 2020;202:104674. doi: 10.1016/j.still.2020.104674
  12. Chertkiattipol S, Nivamapa T. Variations of torque and specific tilling energy for different rotary blades. International Agricultural Engineering Journal. 2010;19(3):1–14. doi: 10.1016/j.still.2020.104674
  13. Yuan Y, Wang J, Zhang X, Zhao S. Study on Tillage Resistance and Energy Consumption of a Plain strait Rotary Blade for Strip Tillage. Engenharia Agrícola. 2023;43. doi: 10.1590/1809-4430-Eng.Agric.v43n2e20220127/2023
  14. Goryachkin VP. Theory of straw cutters and silage cutters. Collected works: in 3 vols. Moscow: Kolos; 1968;3:68–113. (In Russ).
  15. Goryachkin VP. The theory of hand scissors and the basic principles of their construction. Collected works: in 3 vols. Moscow: Kolos; 1968;3:120–133. (In Russ).
  16. Reznik NE. Blade cutting theory and basics of cutting tools calculation. Moscow: Mashinostroenie; 1975. (In Russ).
  17. Zybin YuP. Tekhnologiya izdelij iz kozhi. Moskva: Legkaya industriya; 1975. (In Russ).
  18. Kravcova EV. Sovershenstvovanie apparata i processsa kvazistaticheskoj rezki plodoovoshchnogo syr’ya na chasti. [dissertation]. Sankt Peterburg; 2017. (In Russ.) Accessed: 8.11.2023. Available from: http://fppo.ifmo.ru/?page1=16&page2=52&page_d=1&page_d2=173240
  19. Kanarev FM. Rotary tillage machines and implements. Moscow: Mashinostroenie; 1983. (In Russ).
  20. Gadzhiev PI, Slavkin VI, Alekseev AI, et al. Study of the work of a tillage cutter with a serrated blade of knives. Vestnik FGOU VPO MGAU im VP Goryachkina. 2020;1(95):14–18. (In Russ). doi: 10.34677/1728-7936-2020-1-14-18
  21. Dranyaev SB, Chatkin MN, Koryavin SM. Modeling the operation of a screw L-shaped knife of a tiller. Tractors and Agricultural Machinery. 2017;84(7):13–19. (In Russ). doi: 10.17816/0321-4443-66315
  22. Nikolaev VA. Analysis of the cyclical ground cutting. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2019;16(6):642–657. (In Russ). doi: 10.26518/2071-7296-2019-6-642-657
  23. Konstantinov YU. Methods of calculating the resistance and the moment of resistance to cutting the soil with a straight blade knife cutter. Tractors and Agricultural Machinery. 2019;86(5):31–39. (In Russ). doi: 10.31992/0321-4443-2019-5-31-39
  24. Kudzaev AB. Comparison of different blade shapes of rectilinearly moving soil tillage tools. Tractors and Agricultural Machinery. 2023;90(4):337–349. (In Russ). doi: 10.17816/0321-4443-321315

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Diagrams for analyzing the interaction of a curved blade with an object: a — the diagram of the object’s velocities and the forces acting on it; b — the main phases of the blade operation.

Download (217KB)
3. Fig. 2. Change of the angle τ and values of tg τ and ctg τ at the contact point of the blade with the soil in the phase of deepening the knife: a — changing the angles γ and τ; b — graph of the function tg τ; c — graph of the function ctg τ.

Download (149KB)
4. Fig. 3. Diagrams for calculating the moment of resistance to cutting the soil with a curved blade: a — the components of the knife; b — the forces applied to the elementary section of the blade.

Download (168KB)
5. Fig. 4. The diagram for determining the moment of resistance to cutting the soil according to the method 2.

Download (41KB)
6. Fig. 5. Diagrams for the considered examples: а — shapes of the edge curves of the analyzed blades; b — energy-saving knife with a combined edge; 1 — straight line; 2 — the Archimedes spiral; 3 — an eccentric circle; 4 — the proposed curve φc 45°; 5 — the proposed curve φc 55°.

Download (332KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».