DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2025.55.225-237

Analytical Substantiation of the Main Parameters of a Combined Chisel Deep Ripper

Sergii Leshchenko, Vasyl Salo, Dmytro Petrenko, Viktor Melnychenko

About the Authors

Sergii Leshchenko, Associate Professor, PhD in Technical Sciences (Candidate of Technical Sciences), Associate Professor of the Department of Agricultural Machine Building, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9339-4691, e-mail: serafsgm@ukr.net

Vasyl Salo, Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Agricultural Mechanical Engineering, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2263-6002, e-mail:salovm@ukr.net

Dmytro Petrenko, Associate Professor, PhD in Technical Sciences (Candidate of Technical Sciences), Associate Professor of the Department of Agricultural Machine Building, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3151-8123, e-mail: petrenko.dimitriy@gmail.com.

Viktor Melnychenko, Higher education applicant at the second (educational and scientific) level of higher education in the specialty «Industrial mechanical engineering», Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0009-0001-9673-4740, e-mail: vitek7675@gmail.com

Abstract

The purpose of this work is to develop a comprehensive mathematical model of the interaction between the working components of a combined chisel deep ripper and the soil medium, considering the physical, chemical, mechanical, and rheological features of the deep ripping process. The study is aimed at the scientific substantiation of the structural parameters and operating modes of the tillage implement to improve the efficiency of processing compacted long-tilled soils while reducing energy consumption and ensuring the adaptation of deep rippers to the available fleet of medium-power tractors. A comprehensive analysis of the problem of subsoil horizon compaction at a depth of 25-45 cm was conducted in this work, a problem that affects over 65% of Ukraine's agro-industrial land and leads to a yield reduction of 20-35%. An analytical model of the deep ripping process was developed, incorporating the Rehbinder effect, which ensures a 25-30% reduction in soil strength at an optimal moisture content of 20-24%. The influence of the soil's rheological properties was mathematically substantiated using the Maxwell-Kelvin model, which accounts for the elastic, viscous, and plastic components of deformation. The research results demonstrate the feasibility of creating energy-efficient combined chisel deep rippers with scientifically substantiated parameters that ensure high quality soil processing with reduced energy intensity of the process. The developed mathematical model considers the specialization of the functions of the deformation elements of the chisel share and their adaptation to various soil media: the point (blade tip) operates in a continuous elastic-plastic medium, while the wings operate in a previously loosened, aggregated medium. The determined rational parameters allow for the adaptation of deep rippers to 100-150 hp tractors, which constitute the core of Ukraine's machine and tractor fleet. The implementation of the developed solutions will contribute to the restoration of the structure and density of compacted soils, increase crop yields, and reduce operating costs for deep tillage.

Keywords

chisel plow, chisel shanks, soil crumbling quality, draft resistance, rheological properties, structural parameters, process energy intensity

Full Text:

PDF

References

1. Salo, V.M., Leshhenko, S.M., Luzan, P.G., Machok, Yu.V., & Bogatir`ov, D.V. (2016). Tillage and fertilizer machines. A textbook for students of agricultural specialties. Kharkiv: Machulin [in Ukrainian].

2. Hukov, Ya.S. (1999). Tillage of the soil. Technology and equipment. Kyiv, Nora-Prynt. [in Ukrainian].

3. Shevchenko, I.A. (2016). Management of Agrophysical Condition of Soil Environment. Kyiv: Vidavnichij dim «Vinichenko» [in Ukrainian].

4. Azizi, A., Gilandeh, Y. A., Mesri-Gundoshmian, T., Saleh-Bigdeli, A. A., & Moghaddam, H. A. (2020). Classification of soil aggregates: A novel approach based on deep learning. Soil and Tillage Research, 199, 104586. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104586 [in English].

5. Kobets, A.S., Volyk, B.A., & Puhach, A.M. (2011). Soil cultivation machines: Theory, design, calculation. Dnipropetrovsk : Svydler A.L. [in Ukrainian].

6. Kovbasa, V.P. (2016). Mechanical and technological principles of interaction between working bodies and soil.. Kyiv. [in Ukrainian].

7. Hukov Ya.S. (2000). Justification of some parameters of soil looseners. Mekhanizatsiia ta elektryfikatsiia silskoho hospodarstva. 83, 84-88 [in Ukrainian].

8. Kravchuk, V.I., & Melnyk, Yu.F. (2009). Manual. Machines for soil cultivation and seeding. Doslidnytske: UkrNDIPVT im. L. Pohoriloho. [in Ukrainian].

9. Тryhuba, А., Hutsol, Т., Mudryk, K., Nurek, T., Golebiewski, J., Lub, P., Glowacki, S., Sharybura, А.О., Тryhuba, І., Kucher, О., Mykhailova, L. & Rud, А. (2020). Planning of soil-based processes based on modeling. Warszawa. [in Ukrainian].

10. Vetokhin, V. I., & Panov, A. I. (2013). Some trends in the development of working bodies designs for chisel-plow tillage. Tekhniko-tekhnologichni aspekty rozvytku ta vyprobuvannya novoyi tekhniky i tekhnologiy dlya sil's'koho hospodarstva Ukrayiny : Zbirnyk nauk. pr., 17(31), 1, 92-98. [in Ukrainian].

11. Dubrovin, V.O., & Tesliuk, V.V. (2013). Study of the efficiency of the technology and technique of minimizing the spring pre-sowing tillage for sowing sugar beets. Naukovyi visnyk Natsionalnoho universytetu bioresursiv i pryrodokorystuvannia Ukrainy. Seriia: Tekhnika ta enerhetyka APK, 185(1), 10–20. [in Ukrainian].

12. Korabelskyi, V.I., Spirin, A.V., & Kovalova, I.M. (2011). Development of a sickle-shaped rack of an asymmetric chisel. Zbirnyk naukovykh prats Vinnytskoho natsionalnoho ahrarnoho universytetu. Seriia: Tekhnichni nauky. Vinnytsia: VNAU, 6, 72-75. http://repository.vsau.org/getfile.php/3502.pdf [in Ukrainian].

13. Voitiuk, D.H., & Havryliuk, H.R. (2018). Agricultural machinery. Kyiv: Karavela [in Ukrainian].

14. Zeng, Z., Ma, X., Chen, Y., & Qi, L. (2020). Modelling residue incorporation of selected chisel ploughing tools using the discrete element method (DEM). Soil and Tillage Research, 197, 104505. [in English].

15. Spoor, G., & Godwin, R. J. (2019). Fundamentals of cultivator design and performance. Journal of Agricultural Engineering Research, 43(2), 147-165. [in English].

16. Vasylkovska, K.V, Leshchenko, S.M., Vasylkovskyi, O.M., & Petrenko, D.I. (2016). Improvement of equipment for basic tillage and sowing as initial stage of harvest forecasting. INMATEH-Agricultural Engineering, 50, No.3, 13-20 [in English].

17. Leshchenko, S.M., Salo, V.M., & Petrenko, D.I. (2015). Experimental assessment of the quality of work of a combined chisel with additional horizontal and vertical deformers. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho tekhnichnoho universytetu silskoho hospodarstva imeni Petra Vasylenka, 156. Mekhanizatsiia silskoho hospodarstva, 25-34. [in Ukrainian].

18. Leshchenko, S.M., Salo, V.M., & Petrenko, D.I. (2018). Assessment of energy intensity of deep cultivation of soil by combined chisel deep tillers. Zbirnyk naukovykh prats Tsentralnoukrainskoho natsionalnoho tekhnichnoho universytetu. Tekhnika v silskohospodarskomu vyrobnytstvi, haluzeve mashynobuduvannia, avtomatyzatsiia. 31, 10–20. [in Ukrainian].

19. Leshchenko, S.M., Salo, V.M., Vasylkovskyi, O.M., & Petrenko, D.I. (2022). Determination of parameters and efficiency of additional operating parts of deep tillers. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia sil's'kohospodars'kykh mashyn: zahal'noderzh.mizhvid.nauk.-tekhn. zb. 52, 108-117. DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2022.52.108-117 [in Ukrainian].

Citations

1. Машини для обробітку ґрунту та внесення добрив. Навчальний посібник для студентів агротехнічних спеціальностей / Сало В.М. та ін. Х.: Мачулін, 2016. 244 с.

2. Гуков Я.С. Обробiток грунту. Технологiя i технiка. К., Нора-Принт, 1999 . 275 с.

3. Шевченко І.А. Керування агрофізичним станом ґрунтового середовища . Київ : Видавничий дім «Вініченко», 2016 . 320 с.

4. Azizi, A., Gilandeh, Y. A., Mesri-Gundoshmian, T., Saleh-Bigdeli, A. A., & Moghaddam, H. A. (2020). Classification of soil aggregates: A novel approach based on deep learning. Soil and Tillage Research, 199, 104586. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104586

5. Кобець А.С., Волик Б.А., Пугач А.М. Ґрунтообробні машини: теорія, конструкція, розрахунок: монографія . Дніпропетровськ : Вид-во «Свидлер А.Л.», 2011. 140 с.

6. Ковбаса В.П. Механіко-технологічні основи взаємодії робочих органів з ґрунтом : монографія. Київ, 2016. 298 с.

7. Гуков Я.С. Обґрунтування деяких параметрів розпушувачів ґрунту . Механізація та електрифікація сільського господарства. 2000. Вип. 83. С.84-88.

8. Машини для обробітку ґрунту та сівби : посіб. / за ред. Кравчука В.І., Мельника Ю.Ф. Дослідницьке : УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, 2009. 288 с.

9. Планування ґрунтообробних процесів на основі моделювання : монографія. / А. Тригуба та ін. Варшава, 2020. 138 с.

10. Ветохін В.І., Панов А.І. Деякі тенденції розвитку конструкцій робочих органів для чизельно-полицевого обробітку ґрунту. Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України : зб наук. пр. Дослідницьке: УкрНДІПВТ ім. Л.Погорілого, 2013. Вип. 17(31), Кн.1. С.92-98.

11. Дубровін В.О., Теслюк В.В. Дослідження ефективності технології і техніки мінімалізації весняного передпосівного обробітку ґрунту під сівбу цукрових буряків . Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія : Техніка та енергетика АПК. 2013. Вип. 185(1). С. 11-17.

12. Корабельський В.І., Спірін А.В., Ковальова І.М. Розробка серповидної стойки асиметричного чизеля . Збірник наукових праць Вінницького національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. 2011. Вип. 6. С. 72-75. URL: http://repository.vsau.org/getfile.php/3502.pdf) (дата звернення: 02.12.2025).

13. Войтюк Д.Г., Гаврилюк Г.Р. Сільськогосподарські машини : підруч. Київ : Каравела, 2018. 552 с.

14. Zeng, Z., Ma, X., Chen, Y., & Qi, L. (2020). Modelling residue incorporation of selected chisel ploughing tools using the discrete element method (DEM). Soil and Tillage Research, 197, 104505.

15. Spoor G., Godwin R.J.Fundamentals of cultivator design and performance . Journal of Agricultural Engineering Research. 2019. Vol. 43, № 2. P. 147-165.

16. Improvement of equipment for basic tillage and sowing as initial stage of harvest forecasting / K.V. Vasylkovska, S.M. Leshchenko, O.M. Vasylkovskyi, D.I. Petrenko . INMATEH-Agricultural Engineering 2016. Vol.50, No.3. P.13-20 ref.18.

17. Лещенко С.М. Сало В.М., Петренко Д.І. Експериментальна оцінка якості роботи комбінованого чизеля з додатковими горизонтальними та вертикальними деформаторами . Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. Харків, 2015. Вип. 156. Механізація сільського господарства. С. 25-34.

18. Лещенко С.М., Сало В.М., Петренко Д.І. Оцінка енергоємності глибокого обробітку ґрунту комбінованими чизельними глибокорозпушувачами . Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація : зб. наук. праць Центральноукраїнського нац. техні. ун-ту. 2018. Вип. 31. С. 10–20.

19. Визначення параметрів та ефективність роботи додаткових робочих органів глибокорозпушувачів. / Лещенко С.М., Сало В.М., Васильковський О.М., Петренко Д.І. . Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин : загальнодерж. міжвід. наук.-техн. зб. 2022. Вип. 52. С. 108-117. DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2022.52.108-117

Copyright (c) 2025 Sergii Leshchenko, Vasyl Salo, Dmytro Petrenko, Viktor Melnychenko