Influence of the shape of disk knife on the pinching of material

Full Text

Введение Обработка почвы - важнейший и наиболее энергоемкий элемент практически всех технологий возделывания с.-х. культур. На нее расходуется от 30 до 40% всей энергии, потребляемой в сельском хозяйстве. Для основной обработки почвы широко применяются многочисленные конструкции плугов общего назначения. Подавляющее их большинство оснащено круглыми дисковыми ножами, от работы которых зависят качественные и энергетические показатели плуга. Как показывает практика, унифицированная круглая форма дискового ножа не обеспечивает качественное резание, при этом почвенно-растительная масса сгруживается перед диском. В результате нарушаются агротехнические требования, увеличивается тяговое сопротивление плуга, снижаются производительность и качество его работы, нередко возникают отказы в работе, в т.ч. и полная неработоспособность. Цель исследования Цель исследования - повышение эффективности работы, качества обработки почвы и снижение энергоемкости плугов общего назначения, оснащенных дисковыми ножами. Материалы и методы В ходе исследования проанализированы углы защемления с.-х. материалов круглым и многоугольными дисковыми ножами. Определены условия защемления почвенно-соломистой массы при различных кинематических параметрах и зависимости коэффициента защемления от фиктивного диаметра ножа. Результаты и их обсуждение При обработке почвы плугом круглые дисковые ножи не обеспечивают качественное разрезание растительных и соломистых скоплений, ворох полностью не защемляется (не режется), а перекатывается перед ножом или смещается в сторону от лезвия. Для устранения этих недостатков предложен ряд конструкций ножей, которые изучены с целью изыскания оптимальной формы, обеспечивающей надежное защемление почвенно-растительной и соломистой массы. Угол защемления многоугольного диска зависит от глубины обработки и количества углов в многоугольнике [1]: , где - минимальный угол защемления, град.; h - глубина обработки, м; R - радиус диска, м; n - количество углов в многоугольнике. В результате расчетов получены зависимости угла защемления от формы ножа и угла его поворота при заглублении ножей в почву на 0,12 м (рис. 1, б). Анализ полученных данных показал, что 8-ми и 10-угольные ножи имеют углы α, равные соответственно 45 и 50º. Стандартный круглый нож диаметром 400 мм имеет угол α = 67º. Минимальный угол защемления α = 33…42º имеют 6-угольные ножи, следовательно, именно эта форма наиболее рациональна [2]. Рассмотрим значения угла защемления в процессе резания стебля, когда он зажат между лезвием ножа и почвенным подпором (рис. 2). При этом следует учитывать угол поворота лезвия к горизонту, так как в зависимости от величины угла между лезвием и почвенным подпором может возникнуть опасность выталкивания стебля из раствора. Угол защемления - предельный угол раствора между лезвием и почвенным подпором, при котором не происходит выскальзывание стебля. Он зависит от коэффициентов трения стебля о лезвие и почвенный подпор. Обозначим: φ1, φ2 - углы трения; N1, N2 - нормальные реакции на стебель m со стороны лезвия 1 и подпора 2. В рассматриваемом случае силы трения, возникающие между почвенным подпором и стеблем ( ), стеблем и лезвием ( ), равны: ; . Условия работы, при которых стебель не выскальзывает из раствора при резании, определяются системой уравнений: (1) При условии отсутствия выскальзывания стебля из раствора сила F1 должна быть больше или равна сумме проекций всех сил, действующих на стебель по оси ОХ, следовательно: . (2) Из второго уравнения системы (1) получим: . (3) Решив совместно уравнения (2) и (3), получим: , откуда . После преобразования это неравенство примет вид: , где ; . (4) Условие (4) описывает защемление стеблей в растворе между лезвием и почвенным подпором. Величина правой части неравенства (4) изменяется с изменением толщины и шероховатости кромки лезвия. Значительное влияние на углы трения φ1 и φ2 оказывают вид культуры, ее влажность и расположение разрезаемых стеблей относительно плоскости резания [3, 4]. На защемление единичных стеблей положительно влияет наличие перед разрезаемым материалом почвенных выступов, ограничивающих выскальзывание стеблей из-под лезвия. Определенное воздействие на защемление оказывает кинематический параметр ножа [3, 5]: , где Vо, Vп - окружная и поступательная скорости ножа, м/с; Dф, D - фиктивный и действительный диаметры ножа, м. Можно выделить несколько рабочих моментов, отличающихся по характеру движения дискового ножа и технологическому процессу защемления почвенно-соломистой массы (рис. 3). Если нож движется по дну вырезаемой им борозды без скольжения, то в точке его соприкосновения с дном образуется мгновенный центр вращения О, вокруг которого передвигаются отдельные точки ножа (см. рис. 3, а). Скорость движения середины диска Vд равна скорости поступательного движения почвообрабатывающего агрегата, на котором укреплен нож. Скорости отдельных точек ножа распределяются по треугольнику с вершиной в точке его соприкосновения с дном борозды. В этом случае вектор абсолютной скорости точки К кромки ножа в зоне воздействия на стебель m расположен перпендикулярно радиусу, проведенному из мгновенного центра вращения О. Вектор скорости точки К лезвия проходит через центр или близко к центру стебля. Стебель под действием давления лезвия деформируется. Важное условие защемления - исключение возможности его перекатывания перед диском. Перекатывание стебля перед лезвием по ходу движения ножа возможно лишь при условии значительной разницы углов трения φ1 и φ2. Если же сопротивление вращению ножа настолько значительно, что вращение происходит медленнее, чем обусловлено скоростью поступательного движения центра диска, то на режущей кромке наблюдается скольжение по отношению к грунту (см. рис. 3, б). В этом случае точка соприкосновения ножа с дном борозды также имеет некоторую скорость поступательного движения, как бы перемещаясь вместе со всем агрегатом, а мгновенный центр вращения отдельных точек ножа находится ниже уровня соприкосновения его кромки с дном борозды. Вектор скорости точки К кромки лезвия проходит выше центра стебля m и образует момент, поворачивающий стебель по часовой стрелке. При этом стебель стремится выскользнуть из раствора [5]. Такой режим работы ножа не обеспечивает качественное защемление растительной массы. Скорость поступательного движения точки соприкосновения кромки ножа с дном борозды возрастает по мере увеличения сопротивления вращению диска вокруг своей оси. В случае полного блокирования диска на оси нож работает как черенковый с прямолинейной режущей кромкой, составляющей часть грани (см. рис. 3, в). Если нож вращается быстрее, что обусловлено скоростью поступательного движения его оси (возможно лишь в случае принудительного вращения диска), то мгновенный центр скоростей ножа находится выше уровня его соприкосновения с дном борозды. В точке соприкосновения наблюдается скорость, направленная противоположно поступательному движению оси дисков (см. рис. 3, г). В этом случае вектор скорости проходит ниже центра разрезаемого стебля, и появляется момент сил, поворачивающий стебель против часовой стрелки. Стебель под действием момента перемещается под лезвие, таким образом возникает благоприятное условие для надежного защемления. На практике отмечено, что при резании ножом с принудительным вращением (λ > 1) кромка лезвия способствует вовлечению разрезаемого материала в зону резания. В режиме работы ножа (см. рис. 3, а, б, г) отмечены случаи, когда защемление соломисто-растительной массы разных размеров m1 и m2 (см. рис. 3, е) осуществляется на разных расстояниях S1 и S2. При значительной величине пучка соломы защемления массы m2 может не произойти, так как для этого будет недостаточно длины лезвия С. Тогда растительная масса выйдет из-под лезвия неразрезанной [5, 6]. Графически исследованы траектории движения лезвий 6-угольного и круглого ножей при различных расположениях мгновенного центра вращения. В результате определены зоны надежного защемления и резания в плоскости хода ножа, представленные в виде площадей F1 и F3 (см. рис. 3, д, ж). Анализ траекторий КК1, КК2, КК3, …, ККn движения точки К лезвия позволил определить отношения a/b1, a/b2, …, a/bn в зависимости от расположения мгновенного центра вращения ножа. Величина отношения a/b представляет собой коэффициент защемления f3. При графическом исследовании получена эмпирическая формула и построены зависимости f3 от расположения мгновенного центра вращения диска или, что одно и то же, от фиктивного диаметра дискового ножа Dф (рис. 4): . (5) Как видно из графиков, представленных на рис. 4, коэффициент защемления изменяется по закону параболы. Из формулы (5) следует, что с уменьшением фиктивного диаметра ножа Dф коэффициент защемления f3 увеличивается, т.е. повышается качество защемления с.-х. материалов. По результатам исследования получены зависимости (рис. 5), показывающие, что зоны надежного защемления и резания F1 и отношение суммарной площади надежного защемления 6-угольного ножа к аналогичной площади круглого К′ линейно зависят от кинематического параметра λ [7]: ; , где . Выводы В результате исследования определены углы защемления круглого и многоугольных дисковых ножей. Выявлены условия работы, при которых стебель при резании 6-угольным ножом не выскальзывает из раствора. Определены зависимости коэффициента защемления от расположения мгновенного центра вращения диска. Установлено, что при глубине обработки почвы 0,08-0,12 м эффективность защемления 6-угольного ножа по сравнению с круглым повышается в 1,8-2 раза.

About the authors

I. D Kobyakov

P.A. Stolypin Omsk State Agrarian University, Tara branch

Email: doc-kid@yandex.ru
DSc in Engineering Tara, Russia

A. V Evchenko

P.A. Stolypin Omsk State Agrarian University, Tara branch

PhD in Engineering Tara, Russia

E. V Demchuk

P.A. Stolypin Omsk State Agrarian University

Email: demchykev@mail.ru
PhD in Engineering Omsk, Russia

References

Supplementary files