Calculation model of technological process of soil crumbling by means of tillage working organs

Full Text

Введение К сожалению, во всем мире уделяется недостаточно внимания исследованию изменения свойств почвы при механической обработке. Отсутствуют необходимые приборы для измерения физических величин, характеризующих почву. Для определения возможности качественного крошения почвы с наименьшими затратами нужно знать ее сопротивляемость разрушению при различных условиях взаимодействия рабочих органов с почвой. До сих пор не существует общепризнанных моделей разрушения (деформации) почвы, а многие известные модели применяют закономерности разрушения упругого тела. Многочисленные попытки применения методов исследования упругих материалов для анализа крошения (разрушения) почвы пока не дали практических результатов, так как зависимость между силой, действующей на почву, и деформацией почвы является функцией состояния почвы. Поэтому использование математического аппарата разрушения упругих тел в классическом виде при проектировании рабочих органов малоэффективно. Следует отметить, что почвы иногда могут обладать отдельными фрагментами свойств упругого тела в зависимости от их механического состава, влажности и степени уплотнения. В данной статье рассматривается один из возможных подходов к исследованию процесса разрушения почвы рабочими органами почвообрабатывающих орудий. Научная гипотеза Известно, что для качественной обработки почвы с минимальными затратами необходимы почвообрабатывающие рабочие органы с оптимальными для данного типа почв параметрами. Общеизвестно также, что основное крошение почвенного пласта происходит в момент его сжатия и отрыва от материковой почвы. Таким образом, каждому конкретному углу резания рабочего органа соответствует кусок обрабатываемой почвы конкретных размеров. На основании вышеизложенного выдвинута научная гипотеза о том, что переменный угол резания по длине лемеха способствует улучшению крошения почвенного пласта. Для подтверждения этой научной гипотезы проведены теоретические и лабораторно-производственные опыты. Теоретические исследования Основные постулаты подхода: - разрушение почвы и ее элементов возникает, если действующая сила превосходит силу, сопротивляющуюся разрушению; - величина и направление действующей силы могут быть определены в результате анализа взаимодействия рабочего органа с почвой; - сила, с которой почва сопротивляется разрушению, может быть приближенно определена на основе механического состава почвы и ее влажности в момент обработки. Рассмотрим некоторые элементы процесса разрушения на примере двугранного клина (рис. 1). При движении в почве клин взаимодействует с ней по нормали, отклоненной на угол трения почвы о поверхность клина. В этом направлении клин сдвигает почву по плоскости площадью: , (1) где - площадь разрушения почвы; - глубина хода клина; - угол двугранного клина; - угол трения при скольжении почвы по клину; - ширина клина. При этом сила должна быть равна: , (2) где - коэффициент сцепления частиц почвы на площади . C большими допущениями можно считать этот коэффициент предельным сопротивлением почвы сдвигу . Клин внедряется в почву без ее разрушения до тех пор, пока на нем не сформируется пласт толщиной . Только тогда может проявляться действие силы . Толщину пласта определим из условия: , (3) где - предельное нормальное напряжение на пласте. Решив совместно уравнения (2) и (3), получим: = . (4) На рис. 2 представлена зависимость толщины элемента разрушения от угла установки клина к дну борозды при условии . Подставив в уравнение (3) значение , получим: , или . (5) Сила тягового сопротивления клина определяется полученной силой разрушения и силой трения при движении почвы по клину в момент разрушения материкового пласта без учета силы, затрачиваемой на движение сформированного пласта почвы по клину длиной L (рис. 3; 4, а): ; (6) , где - сила нормального давления на поверхности при разрушении материкового пласта почвы; - угол трения. , или . После подстановки в уравнение (6) получим: . (7) Численные значения составляющих и силы тягового сопротивления показаны на рис. 4, б. Данный теоретический результат опробован на плоскорежущих и отвальных рабочих органах почвообрабатывающих машин. Результаты лабораторных и экспериментальных исследований приведены ниже. Используемые в настоящее время на основной безотвальной обработке почвы рабочие органы культиваторов-плоскорезов-глубокорыхлителей (КПГ) еще не полностью отвечают агротехническим требованиям, особенно по качеству крошения почвенного пласта, сохранению стерни, размерам развальной борозды, гребнистости, а также равномерности крошения по ширине захвата плоскорежущего рабочего органа (рис. 5, а). Экспериментальные исследования Для лабораторных опытов использовался специально разработанный почвенный канал (рис. 6, а) и набор двугранных клиньев, отличающихся друг от друга углом установки рабочей грани к дну борозды (рис. 6, б). Испытания проводились в средах с широким диапазоном физико-механических свойств (чернозем обыкновенный, песок, горох, глина). Определялось воздействие переменного угла резания на изгиб и кручение глины, пластилина, влажного чернозема (рис. 6, в). Результаты и их обсуждение Проведенные лабораторные исследования показали, что: 1) несмотря на различия физико-механических свойств и внешней картины формирования пласта, все среды при взаимодействии с клином имеют некоторые общие характеристики, зависящие от параметров клина; 2) лезвие с переменным углом резания создает большее напряженное состояние в пласте почвы, чем лезвие с постоянным углом резания. Получены формулы [1] для определения эквивалентных напряжений (напряженных состояний), создаваемых лезвиями с постоянным и переменным углами резания: , (8) где , - напряженные состояния, создаваемые в пласте почвы лезвиями с переменным и постоянным углами резания; ρ - радиус изгиба пласта; Δε - интенсивность изменения угла резания по длине лезвия (в экспериментах Δε = 20…45°); l - длина лезвия. Проведенные теоретические и лабораторные исследования позволили создать рабочие органы КПГ с переменным углом резания. Анализируя полученные результаты, можно отметить, что клин с переменным углом резания создает большее напряженное состояние в пласте почвы, чем клин с постоянным углом резания. Полагая, что крошение пропорционально возникающим напряжениям, приходим к выводу, что клин с переменным углом резания обеспечит лучшее крошение. Характер возникающих в пласте почвы напряжений различен. При действии на почву рабочим органом с постоянным углом резания напряженное состояние в пласте возникает от деформации изгиба, а при действии рабочим органом с переменным углом резания - от деформации изгиба и кручения. Экспериментальные данные по крошению и тяговому сопротивлению свидетельствуют о справедливости выдвинутой научной гипотезы (рис. 7; 5, б). Таким образом, рассмотренная модель разрушения почвы хорошо согласуется с физическими процессами взаимодействия клина с почвой, а представленные на рис. 2-4 расчетные данные корректно соотносятся с экспериментальными данными, полученными многими авторами в России и за рубежом [2-8]. Сходимость представленных моделей с экспериментальными данными намного выше, чем у других моделей, в т.ч. базирующихся на упругих свойствах почвы. Заключение Как показали экспериментальные исследования, рабочие органы КПГ с переменным углом резания по длине лемеха крошат обрабатываемый пласт на 20-50% лучше, чем серийные. Экономический эффект от внедрения рабочих органов КПГ с переменным углом резания составляет 200-1300 руб/га.

About the authors

V. V Blednykh

Agroengineering Institute of South Ural State Agrarian University

Email: mail@csaa.ru
DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

P. G Svechnikov

Agroengineering Institute of South Ural State Agrarian University

DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

I. P Troyanovskaya

Agroengineering Institute of South Ural State Agrarian University, South Ural State University

Email: tripav63@mail.ru
DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

References

Supplementary files