The influence of the angle of loosening of the working body of an agricultural instrument on the intensity of destruction of soil aggregates

Full Text

Введение Весь опыт земледелия с применением разнообразных технологий, как правило, предусматривает периодическую обработку почвы. Обрабатывают почву для обеспечения необходимой аэрации и уничтожения корней сорных растений, а также получения требуемой плотности и влажности и в целом для создания благоприятных условий для развития культурных растений. Вместе с тем, в прилегающем к рабочим органам слое почвы происходят разрушения почвенных микроагрегатов, а высвобожденные таким образом твердые частицы материнской породы истирают и изнашивают поверхности трения рабочих органов [1]. Интенсивность износа, как и величины силового нагружения рабочих органов, в первую очередь зависят от углов наклона их лезвий относительно дна борозды или от углов рыхления [2, 3]. Угол рыхления выбирают исходя из агротехнических требований и назначения для тех или иных земледельческих орудий. Цель исследования В качестве задачи настоящего исследования было принято решение проанализировать влияние угла рыхления почвы рабочим органом земледельческого орудия на интенсивность разрушения микроагрегатов в обрабатываемом слое почвы. Материалы и методы Действие рабочего органа земледельческого орудия в процессе рыхления сопровождается внутренними напряжениями в структуре обрабатываемого слоя почвы. В качестве образца исследуемого рабочего органа был принят рыхлитель, выполненный в форме прямого клина. Начальным источником напряжений в почве является горизонтальная составляющая от действия рыхлителя. На рис. 1 показана схема действия прямого клина рыхлителя на обрабатываемый слой почвы. Рассматривая напряжения, возникающие в структуре спелой почвы при ее механическом рыхлении: напряжения сжатия σ2 и растяжения σ1, которые при своих предельных значениях создают сдвиговый эффект в направлении действия касательного напряжения τ [4]. Почва приобретает состояние, близкое к зернистой среде в период своей спелости при определенных температурах и влажности, когда в почве в наличии воздух и вода, а твердая фаза представляет собой отдельные почвенные совокупности, скрепленные между собой. Сами совокупности состоят из первичных структурных единиц микроагрегатов. Сдвиговые явления при рыхлении происходят за счет преодоления внутренних связей, скрепляющих совокупности между собой, при этом происходят взаимные перемещения, которые увеличивают первоначальный объем почвы, увеличивают ее пористость [5]. Сдвиговые явления в зернистых средах, за счет которых увеличивается первоначальный объем, называют дилатансией [6]. В соответствии с законом Кулона величина касательного сдвигающего напряжения τеg определяется следующим образом [7]: , (1) где σ2 - предельное напряжение сжатия; φ - угол внутреннего трения; С - удельное сцепление между почвенными совокупностями. Рис. 1. Схема действия прямого клина рыхлителя на обрабатываемый слой почвы В реальных условиях значения предельных напряжений почвы изменяются в довольно широких пределах в зависимости от типов почвы и ее влажности. Для каждого конкретного случая определение φ и С можно производить при помощи примерного паспорта прочности спелой почвы. На рис. 2 изображены круги Мора, где посредством графического изображения предельных напряжений и их диапазона изменения определяются постоянные φ и С в уравнении (1). Для практического применения в первом приближении закон Кулона можно выразить через сдвигающую силу Рсg: , (2) где N - нормальное давление; φ - угол внутреннего трения; Р0 - начальная сила сдвига, по природе подобная С в формуле (1). Вся трудность последующего подхода к выявлению интенсивности разрушения почвенных микроагрегатов, при известных значениях предельных напряжений, заключается в определении нормальных давлений, действующих на обрабатываемый слой почвы со стороны рабочего органа рыхлителя. Результаты и обсуждения Процесс разрушения микроагрегатов происходит в следующей последовательности. Вначале на поверхности рабочего органа происходит сжатие, и затем, перемещаясь, микроагрегаты истирают твердыми частицами материнской породы поверхность трения рабочего органа. При изменении угла рыхления меняется величина сдвигающей силы Рсg, и, когда она будет превышать начальную силу сдвига, т.е. Рсg > P0, почвенные совокупности перемещаются в направлении сдвига, а их место занимают следующие совокупности. В итоге при проведении исследований важно знать изменение величин нормальных давлений при изменении углов рыхления рабочего органа. Измерение нормальных давлений во всех точках поверхности трения при стендовых испытаниях проводилось косвенным образом исходя из закона Амонтона-Кулона: , (3) где ΔИз - точечная величина выноса материала по глубине с поверхности трения; φ1 - угол трения почвы о поверхность износа; K - коэффициент, характеризующий сопротивляемость абразивному износу поверхности трения. Интенсивность абразивного износа в разных точках поверхности трения измерялась на лабораторном стенде [8], схема которого приведена на рис. 3. Рис. 3. Стенд для ускоренных имитационных испытаний рабочих органов на абразивный износ: 1 - барабан; 2 - почвенно-песчаная среда, хорошо измельченная с влажностью до 20-25 %; 3 - вал; 4 - стойки; 5 - испытываемый рабочий орган; 6 - легкоистираемый материал; 7 - сердечник; 8 - катушка На испытываемый рабочий орган рыхлителя 5 наносился легкоистираемый материал 6, по результатам изнашивания которого производилось измерение толщины слоя нанесенного материала. Толщина слоя измерялась магнитоиндукционным методом с помощью сердечника 7 и катушки 8. Далее по зависимости (3) рассчитывалась величина нормального давления. Результаты измерений и расчетов представлены на рис. 4. Из графиков следует, что на всей длине клина рыхлителя имеют место разные величины нормальных давлений. Наибольшие величины давления возникают ближе к кромке лезвия рыхлителя. В то же время при углах рыхления 20-25° величины нормальных давлений остаются примерно постоянными по всей длине пути трения. Уравнения регрессии функций нормальных давлений в зависимости от длины пути трения имеют следующий вид: (4) Анализируя N = f(L, β), можно с определенной достоверностью предположить, что при углах рыхления β = 20-25°, когда нормальные давления по всей длине рыхлителя близки к постоянным величинам, слой обрабатываемой почвы равномерно перемещается по поверхности трения, а сдвиговые деформации незначительны. При таких углах рыхления разрушение микроагрегатов почвы происходит только в слое непосредственного контакта с поверхностью трения рабочего органа. При данных значениях углов рыхления можно считать, что сдвигающие силы имеют свои номинальные значения. Далее они изменяются при увеличении углов крошения β. Тогда в выражении (2) переменная только одна - N = f(L). Принимая номинальные значения сдвигающей силы за единицу, можно сравнить ее изменение в зависимости от углов рыхления. В этом случае удобно воспользоваться расчетом площадей, криволинейных трапеций, ограниченных уравнениями регрессии (4): (5) где ΣРсgн - номинальное значение суммарной величины сдвигающей силы; Рсgн - номинальная сдвигающая сила; L - координата точек измерения нормальных давлений в размерах от кромки лезвия. Тогда относительное изменение суммарной величины сдвигающей силы определяется соотношением: , (6) где ΣРсgi - суммарная величина сдвигающей силы при угле i рыхления почвы; θ - относительное изменение суммарной сдвигающей силы. Рассчитанные значения θ при разных углах рыхления почвы по зависимостям (4) и (5) представлены на рис. 5. Рис. 5. Относительное изменение суммарных величин сдвигающей силы в зависимости от углов рыхления рабочим органом земледельческого орудия Из графиков следует, что изменение величин суммарных сдвигающих сил в зависимости от увеличения угла рыхления почвы носит не линейный характер. При увеличении угла рыхления более 25° значительно увеличиваются суммарные сдвигающие силы. Следует иметь в виду, что в лабораторных условиях почвенно-песчаная среда была достаточно однородной по составу, и хорошо взрыхленной, и с низкой влажностью, а также то, что в данных условиях величина начальной сдвигающей силы Р0 (см. уравнение 2) была значительно меньше, чем имеется в реальном почвенном сложении. В реальных почвах следует ожидать смещение графика зависимости (рис. 5) за счет увеличения Р0 - как показано штриховыми линиями. Заключение В результате проведенных исследований установлено следующее. При углах рыхления менее 25-30°, слой почвы, обрабатываемый земледельческим орудием, равномерно перемещаясь по поверхности трения рабочего органа, воспринимает практически одинаковое давление по всей длине перемещения; в этом случае следует считать, что происходят наименьшие разрушения микроагрегатной структуры почвы. При увеличении угла рыхления более 30° обрабатываемый слой почвы испытывает неравномерное давление по длине пути перемещения. Наибольшие величины давлений возникают ближе к кромке лезвия рабочего органа рыхлителя. В местах наибольшего давления почвенные совокупности (микроагрегаты) интенсивно истирают своими частицами материнской породы рабочий орган, при этом, сами истираясь, перемещаются сдвиговыми силами верхнего слоя обрабатываемой почвы. Для углов рыхления 25-30° принимаем давление на обрабатываемый слой почвы за номинальное, и далее, сравнивая его со значениями при больших углах рыхления, имеем увеличение от номинального в 2-4 раза, что характеризует значительный рост интенсивности разрушения микроагрегатов. Рис. 2. Примерный паспорт прочности спелой почвы: σр, σсж - предельные напряжения растяжения и сжатия; φ - угол внутреннего трения; С - удельное сцепление между почвенными совокупностями Рис. 4. Графики изменения нормальных давлений на поверхности трения рыхлителя: N - нормальное давление; L - координата точек измерения нормальных давлений в размерах от кромки лезвия; 1 - функция N = f (L, β = 20°); 2 - функция N = f (L, β = 25°); 3 - функция N = f (L, β = 30°); 4 - функция N = f (L, β = 35°); 5 - функция N = f (L, β = 40°); 6 - функция N = f (L, β = 45°); 7 - функция N = f (L, β = 50°); 8 - функция N = f (L, β = 55°)

About the authors

V. I Myalenko

Kemerovo State Agricultural Institute

Email: lapa_25@bk.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files