Mitigation of effect of compacted soil lump

Full Text

Введение Изучение процесса обработки и резания почвы рабочими органами - одно из ведущих направлений земледельческой механики, которое имеет важнейшее прикладное значение. Исследования условий резания почвы и соответствующие мероприятия, основанные на их результатах, позволяют в значительной степени повысить эффективность и оптимизировать себестоимость проведения наиболее затратных в общем технологическом цикле производства продукции растениеводства операций почвообработки, посева, уборки картофеля и некоторых овощей. Один из важнейших факторов, влияющих на условия резания почвы, - образование уплотненного почвенного ядра на лезвийных частях рабочих органов в процессе эксплуатации. К сожалению, 10-30 лет назад этот фактор мало учитывался в исследованиях по теории резания почв и даже подвергался сомнению. Однако еще в предшествующие годы наличие уплотненного почвенного ядра на лезвиях рабочих органов почвообрабатывающих и дорожных машин отмечали многие исследователи. Впервые оно упоминается в трудах немецких ученых Е. Динглидера и У. Ратье, которые в опытах по протаскиванию лезвий в песке определили, что перед лезвием образуется «тело повышенного давления из песка, которое разделяет окружающие частицы». А.Н. Зеленин, А.Д. Далин, И.Я. Айзеншток [1] также изучали процессы образования перед лезвием «уплотненного ядра из грунта». В более современных исследованиях [2-4] на основе преимущественно косвенных оценок установлены факторы и тенденции, наличие которых может быть объяснено только образованием на почворежущем лезвии и перед ним уплотненного почвенного ядра. Таким образом, образование уплотненного ядра в процессе резания почвы можно считать доказанным фактом. Возникает вопрос, в какой мере этот факт может быть учтен при проектировании и модернизации почворежущих машин и их рабочих органов. Цель исследования Цель исследования - выявить влияние уплотненного почвенного ядра на рабочие органы почвообрабатывающих машин и на основе выявленных закономерностей повысить ресурс работы агрегата, а также качественные показатели выполнения технологических процессов. Материалы и методы На основе аналитических и экспериментальных исследований взаимодействия рабочих органов с почвой предусмотрены факторы, позволяющие улучшить качество обработки почвы и увеличить ресурс рабочих органов в 1,5-2 раза. Результаты и их обсуждение На рисунке приведена гипотетическая схема воздействия уплотненного почвенного ядра при различных параметрах затупления лезвия [2], научно объясняющая известное негативное явление - резкий (не пропорциональный затуплению) рост сопротивления почвенного пласта при отрицательном угле резания, возникающем в процессе изнашивания лезвия или образования затылочной фаски. Фундаментальная причина резкого роста сопротивления почвы при возникновении затылочной фаски - различие в условиях прохождения почвенного пласта по передней и задней граням лезвия [1]. В частности, такой рост объясняется тем, что на задней грани лезвия, куда при изнашивании и возникновении затылочной фаски (см. рис. в) перемещается уплотненное ядро, увеличивающееся вследствие роста угла заострения лезвия, условия разгружения почвенного пласта существенно тяжелее в сравнении с аналогичным процессом на передней грани [1]. Одна из главных выявленных закономерностей наличия уплотненного почвенного ядра на лезвии - не очевидное на первый взгляд свойство ядра стабилизировать именно удельные нагрузки, действующие на лезвие, и обеспечивать относительную независимость их значений от геометрии (или параметров затупления) лезвия. Действующие на лезвие удельные нагрузки, в частности используемые при расчете износов [2, 3], относительно постоянны и зависят лишь от режимов работы орудия, почвенных условий (преимущественно от твердости) и установочных параметров. Обычно они находятся в пределах от 0,1 до 0,8 МПа [2] для различных деталей и условий. Общие нагрузки, действующие на затупленное лезвие и орудие в целом, возрастают пропорционально росту размеров почвенного ядра (см. рис. в). Специфическое свойство ядра, которое заключается в перераспределении и относительной стабилизации нагрузок на внутренней поверхности, вероятно, объясняется особенностью воздействия почвенных сил трения и сцепления и определенными условиями сжимаемости ядра. Другая научно-практическая закономерность - циклическая (с определенной периодичностью) процедура образования уплотненного почвенного ядра на лезвии и схода с него, достаточно подробно описанная И.Я. Айзенштоком [1]. По данным [2], цикличность характеристик действующих на орудие нагрузок, хорошо известная многим специалистам, проводящим тензометрические исследования, объясняется не только неравномерностью свойств почвы, но и циклическим (как правило через строго определенные интервалы времени) характером образования уплотненного почвенного ядра на лезвии и схода с него. В практическом плане для защиты от негативного воздействия уплотненного почвенного ядра можно рекомендовать проектирование рабочих органов и орудий с такими параметрами, которые не позволяли бы уплотненному ядру проникать под заднюю грань лезвия и по возможности сходить с рабочего органа по передней грани лезвия. К таким параметрам относится небольшой (не более 4-6º), но строго положительный задний угол резания ε, или угол зазора (см. рисунок). Также экспериментально получены данные о том, что работоспособность лезвия зависит не столько от его остроты, сколько от параметров, характеризующих возможность попадания ядра под заднюю грань. Для лезвий рабочих органов, не производящих напрямую перерезание сорных растений, при верно выбранном заднем угле резания собственно толщина лезвия не столь значительно (в пределах 8-13%) влияет не работоспособность и энергетические характеристики рабочего органа. В ряде случаев применение лезвий увеличенной толщины (до 3-3,3 мм, например у лемехов плугов) [5, 6] может быть экономически обоснованным, так как величина линейного износа, согласно результатам исследований, обратно пропорциональна толщине лезвия, взятой в степени 0,5-0,6 (приближенно квадратному корню из значения толщины лезвия) [7]. К числу других важных практических выводов, сделанных на основе анализа процессов воздействия уплотненного почвенного ядра, следует отнести необходимость защиты, например твердосплавной наплавкой или другим видом упрочнения, именно задней (наружной) грани лезвия. Также установлено, что для получения максимального эффекта повышения ресурса и работоспособности толщина упрочняющего слоя для большинства почворежущих деталей должна быть максимально возможной (2,8-3,3 мм) [6, 7]. Заключение Анализ условий образования уплотненного почвенного ядра на лезвии почворежущего рабочего органа и перед ним позволил установить следующее. Воздействующие на грани лезвия удельные нагрузки, значения которых используются при расчетах износов, относительно постоянны и практически не зависят от геометрии лезвия или параметров его затупления в отличие от общих нагрузок, действующих на рабочий орган и орудие, которые резко увеличиваются при затуплении лезвия. Этот факт объясняется специфическими свойствами уплотненного почвенного ядра. Для конкретных изделий, почвенных и скоростных условий удельные нагрузки, действующие на лезвие, находятся в пределах 0,1-0,8 МПа. Для устранения негативного влияния почвенного ядра и затруднения его попадания под заднюю грань лезвия рабочие органы следует изготавливать с небольшим (4-6º) строго положительным углом резания и внутренней заточкой [2, 5]. В сравнении с параметрами лезвия, определяющими условия воздействия уплотненного почвенного ядра на работоспособность и энергоемкость рабочего органа, острота лезвия - менее значимый фактор. Упрочнение лезвий почворежущих рабочих органов наиболее эффективно с задней (наружной) стороны. Толщина упрочняющего слоя для большинства рабочих органов, не производящих непосредственного подрезания сорных растений, должна быть максимальной (2,8-3,3 мм).

About the authors

S. A Sidorov

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vim-avt@rambler.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

V. K Khoroshenkov

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vim-avt@rambler.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

D. A Mironov

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vim-avt@rambler.ru
Engineer Moscow, Russia

E. S Luzhnova

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vim-avt@rambler.ru
Engineer Moscow, Russia

References

Supplementary files