Traction resistance Rationale of combined plough for longline soil treatment

Full Text

Наиболее перспективным способом введения в севооборот необрабатываемых земель и повышения плодородия почвы является ярусная обработка. Одним из показателей высокого эффекта работы при этом является качественное рыхление каждого из слоев почвы. Однако реализация существующих технологических приемов ярусной обработки почвы требует высоких энергетических затрат, что сдерживает их внедрение в производство. Цель исследования – теоретическое обоснование тягового сопротивления комбинированного плуга для ярусной обработки почвы, задача исследования – изучить влияние конструкционных и технологических параметров почвообрабатывающих рабочих органов, свойств обрабатываемой почвы и скорости движения агрегата на тяговое сопротивление комбинированного плуга. Тяговое сопротивление разработанного комбинированного плуга для ярусной обработки почвы с рыхлением подпахотного горизонта является основным показателем, определяющим энергетические затраты технологического процесса. Согласно исследованиям [1, 2, 6, 7, 9, 10] по определению тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов, технологический процесс комбинированного плуга при взаимодействии с обрабатываемым слоем почвы будет представлять работу лемешно-отвального корпуса верхнего яруса и рыхлящего безлемешно-отвального корпуса нижнего яруса (рис. 1). Рис. 1. Схема рабочей секции комбинированного плуга: 1 – лемешно-отвальный корпус верхнего яруса; 2 – рыхлительный безлемешно-отвальный корпус нижнего яруса Лемешно-отвальный корпус верхнего яруса работает по известной классической схеме отвального плужного корпуса – подрезание пласта почвы верхнего слоя с глубиной отделение его от почвенного монолита, рыхление и оборот. При предлагаемом технологическом процессе этот пласт укладывается в середину обрабатываемого горизонта в борозду на предварительно разрыхленный в предыдущем проходе подпахотный горизонт. Рыхлящий безлемешно-отвальный корпус нижнего яруса с глубиной работает следующим образом [8]: - долотом производится одновременное разрыхление нижнего слоя почвы и подпахотного горизонта без подрезания, без образования «плужной подошвы»; - в предварительно разрыхленном почвенном горизонте отвалом отделяется нижний слой почвы от подпахотного горизонта, а затем транспортируется, оборачивается и укладывается поверх ранее уложенного верхнего слоя почвы. Поэтому тяговое сопротивление секции рабочих органов комбинированного плуга определяется суммой сопротивлений (1) где – тяговое сопротивление одной секции рабочих органов комбинированного плуга, Н; – тяговое сопротивление корпуса верхнего яруса, Н; – тяговое сопротивление корпуса нижнего яруса, Н. Тяговое сопротивление корпуса верхнего яруса можно определить по рациональной формуле академика В. П. Горячкина [4]. Тяговое сопротивление корпуса нижнего яруса определяется суммой сопротивлений долота, рыхлительной и отвальной поверхностей: (2) где – тяговое сопротивление долота, Н; – тяговое сопротивление рыхлительной поверхности отвала, Н; – тяговое сопротивление отвальной поверхности корпуса нижнего яруса, Н. В соответствии с работами [1, 2, 7, 10, 11] тяговое сопротивление долота можно определить как сопротивление трехгранного косопоставленного клина, имеющего вытянутую рабочую поверхность и режущую кромку, расположенных под углом (рис. 2) к горизонту с режущей кромкой под углом по направлению движения. Так как долото работает на достаточно большой глубине, то можно предположить, что при этом осуществляется как сжатие почвы, так и ее сдвиг с последующим периодическим отрывом определенных объемов почвы. Рабочая поверхность долота расположена к горизонту по направлению движения под углом – угол крошения почвы долотом, а во фронтальной плоскости под углом – угол постановки рабочей поверхности долота в поперечно-вертикальной плоскости. При этом режущая кромка долота длиной расположена горизонтально, образуя с линией движения угол – угол резания почвы, и вырезает пласт почвы шириной и высотой . Рис. 2. Конструкционные параметры долота Тяговое сопротивление долота в данном случае определится суммой сопротивлений: на вдавливании режущей кромки долота в почву и сдвиг вырезанного почвенного объема. Основываясь на теоретических исследованиях А. Н. Зеленина по определению сил резания клинообразного рабочего органа [5], тяговое сопротивление долота рыхлителя, учитывая его геометрию, определится следующей зависимостью: (3) где – максимальная величина касательных напряжений при сдвиге почвы в предельно напряженном состоянии, Па; – высота пласта почвы вырезаемого долотом, м; – ширина рабочей поверхности долота, м; – угол постановки рабочей поверхности долота в поперечно-вертикальной плоскости, град.; – угол трения почвы о металл, град.; – угол внутреннего трения почвы, град.; – угол крошения почвы долотом, град; – напряжение сжатия почвы режущей кромкой долота, Па; – длина режущей кромки, м; – толщина режущей кромки, м; – угол резания почвы долотом, град. Работу рыхления после долота продолжает рыхлительная поверхность корпуса нижнего яруса, выполненная в виде косопоставленного клина треугольной формы (рис. 3). Рис. 3. Рыхлительная часть корпуса нижнего яруса Тяговое сопротивление рыхлительной поверхности корпуса нижнего яруса можно определить по аналогии с зависимостью тягового сопротивления долота рыхлителя: = (4) где угол крошения почвы рыхлительной поверхностью, град.; – площадь смятия почвы режущей кромкой рыхлительной поверхности корпуса нижнего яруса, м2; – толщина режущей кромки рыхлительной поверхности корпуса, м; – длина рабочей части режущей кромки рыхлительной поверхности корпуса, м; – угол резания почвы рыхлительной поверхностью (угол между режущей кромкой и фронтальной плоскостью), град. Площадь поперечного сечения пласта, обрабатываемого рыхлительной поверхностью корпуса нижнего яруса, определенная в зависимости от технологических параметров обработки почвы и от конструкционных параметров рыхлительной поверхности корпуса нижнего яруса: (5) где – угол сдвига почвы рыхлительной поверхностью, град; – интервал расстановки рабочих органов на плуге, м; – ширина пласта почвы вырезаемого долотом, м. Технологический процесс работы корпуса нижнего яруса завершает его отвальная поверхность, которая оборачивает и перемещает нижний пласт почвы. Тяговое сопротивление отвальной поверхности корпуса нижнего яруса можно определить по величине затраченной работы на выполнение транспортирования определенного объёма почвы с последующим отбрасыванием в борозду. Отвальная поверхность корпуса нижнего яруса совершает работу по перемещению пласта почвы на расстояние (рис. 4). При выполнении работы происходит изменение потенциальной энергии пласта за счет изменения высоты его расположения на и за счет сил трения – перемещение по направлению движения на Для транспортировки пласта почвы на необходимое расстояние требуется сообщить пласту импульс (6) где – масса вырезаемого пласта почвы, кг; – абсолютная скорость движения пласта, м/с. Массу вырезаемого пласта почвы можно представить зависимостью (7) где – плотность вырезаемого пласта почвы, кг/м3; – рабочая скорость движения пахотного агрегата, м/с; – рассматриваемый интервал времени движения пахотного агрегата, с. Абсолютная скорость движения пласта должна обеспечить перемещение центра массы почвы из положения 1 в положение 2 (рис. 4), координаты которого можно представить как а) б) Рис. 4. Схема к определению работы по перемещению нижнего слоя почвы: а – геометрические параметры вырезаемого пласта; б – траектория движения центра тяжести вырезаемого пласта Пренебрегая сопротивлением воздуха, движение пласта почвы после схода с отвальной поверхности корпуса нижнего яруса можно представить параметрическим уравнением (8) где – проекции вектора абсолютной скорости движения пласта по осям в прямоугольной пространственной системе координат, м/с; – время свободного движения пласта после схода с отвальной поверхности корпуса нижнего яруса, с; – ускорение свободного падения, м/с2. Выразив из данного параметрического уравнения составляющие скорости, получим следующую систему уравнений (9) Учитывая параметрическое уравнение (9), скорость пласта почвы можно представить зависимостью (10) или (11) При условии для транспортировки вырезаемого пласта почвы, необходимая величина импульса определится из уравнения (12) Учитывая то, что импульс сообщается пласту в течение времени пока пласт движется по отвальной поверхности, то величина тягового сопротивления отвальной поверхности будет равна: (13) Учитывая выражения (3), (4) и (13) тяговое сопротивление корпуса нижнего яруса (2) примет вид: (14) Тяговое сопротивление секции рабочих органов (1) учитывая выражение (14) определится следующим образом (15) Общее тяговое сопротивление плуга будет равно (16) где – количество секций комбинированного плуга, шт. Представленные теоретические выражения (3), (4), (13), (14) и (15) для определения составляющих тягового сопротивления рабочих органов, выполняющих предлагаемый новый технологический процесс ярусной обработки почвы, позволяют учитывать влияние конструкционных и технологических параметров почвообрабатывающих рабочих органов, свойств обрабатываемой почвы и скорости движения агрегата, но для аналитического вычисления тягового сопротивления необходимы экспериментальные данные физических (плотность, твердость) и механических свойств почвы (величины нормальных и касательных предельных напряжений, углы скола почвы, коэффициенты внутреннего и внешнего трения). Подставив исходные значения [3] в выражения (14), (15) и (16), получили следующие значения тягового сопротивления обработки почвы корпусами нижнего яруса и комбинированным плугом (табл. 1). Таблица 1 Тяговое сопротивление обработки почвы плугом и корпусами нижнего яруса при h1=0,06 м Глубина рыхления, м Тяговое сопротивление корпусов нижнего яруса, Н Общее тяговое сопротивление плуга, Н 0,25 19500 25000 0,3 23000 28500 0,35 27250 32750 0,4 31550 37050 0,45 36500 42000 Результаты проведённых исследований могут использоваться при совершенствовании технологий ярусных обработок почвы, а также при разработке и совершенствовании конструкций комбинированных почвообрабатывающих агрегатов на стадии проектирования.

About the authors

V G Gnilomedov

D S Sazonov

M P Erzamajev

References

Supplementary files