Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Обзор литературных источников по улучшению сенокосов и пастбищ путем подсева трав в дернину 14
1.2. История развития метода 21
1.3. Техническая оснащенность метода 22
1.4. Обзор НИР по ротационным почвообрабатывающим рабочим органам 42
1.5. Цель и задачи исследования , 51
2. Теоретическое обоснование конструктивных параметров и скоростных режимов работы бороздовскрывателя сеялки прямого посева 51
2.1. Агротехническое и технологическое обоснование основных конструктивных параметров и скоростного режима работы лопастного эллиптического бороздовскрывателя 53
2.2.Технологические свойства дернины 53
2.3. О взаимодействии лезвия дискового ножа с почвой 57
2.4. К анализу явления скольжения-буксования дискового ножа в почве 65
2.5. Обоснование диаметра и ширины захвата бороздовскрывателя 72
2.6. Предпосылки к обоснованию количества лопастей и критерия выбора скоростного режима работы бороздовскрывателя 79
2.7. Исследование кинематики и показателей работы ЛРРО 81
2.7.1 .Уравнение движения точки режущей кромки лопасти бороздовскрывателя 81
2.7.2. Определение абсолютной скорости резания 82
2.7.3. Определение скорости частицы почвы под воздействием лопасти 83
2.7.4. Годограф абсолютной скорости частицы 87
2.7.5. Ускорение точек лопасти и частиц почвы 95
2.7.6. Уравнение движения частицы по траектории при воздействии на нее режущей кромки 96
2.7.7. Определение угла резания лопастного ротационного почвообрабатывающего рабочего органа 98
3. Показатели, характеризующие взаимодействие ЛРРО с почвой 108
3.1. Стружка, ее форма и параметры 108
3.2. Объем деформированной почвы 114
3.3. Оценка рабочего органа по крошению почвы 117
3.4. Условие защемления растительных остатков лезвием лопастного рабочего органа 125
3.5. Исследование параметров, характеризующих изменение условий резания лезвием приводного ЛРРО , 130
3.6. Частота вращения как фактор, обеспечивающий многофункциональность ЛРРО 136
4. Силовой анализ бороздовскрывателя 143
4.1. Расчетная схема бороздовскрывателя 143
4.2. Определение реакций резания лезвием малой полуоси 148
4.2.1. Расчет длины режущей части лезвия почвообрабатывающего ротационного рабочего органа 149
4.3. Определение движущей силы активного бороздовскрывателя 157
4.3.1. Определение горизонтальной составляющей реакций сил трения и прилипания почвы 157
4.3.2. Определение горизонтальной составляющей реакций резания почвы 160
4.3.3. Определение горизонтальной составляющей реакций сдвига почвы 162
4.4. Определение выглубляющей силы бороздовскрывателя 170
4.4.1. Определение вертикальных реакций трения и прилипания почвы о боковую поверхность лопасти 170
4.4.2. Определение вертикальной реакции резания лезвием режущей кромки лопасти 171
4.5. Определение осевой силы бороздовскрывателя 172
4.6. Теоретическое определение момента сопротивления и мощности на обработку почвы бороздовскрывателем с эллиптическими лопастями 174
4.7. Влияние конструктивных параметров и скоростного режима работы бороздовскрывателя на изменение силовых и энергетических показателей 177
4.7.1. Зависимость движущей силы бороздовскрывателя от угла поворота лопасти относительно оси вала 177
4.7.2. Зависимость движущей силы бороздовскрывателя от угла и кинематического коэффициента Л 180
4.7.3. Зависимость выглубляющей силы от угла /?и кинематического коэффициента X 185
4.7.4. Зависимость осевой реакции бороздовскрывателя от изменения угла отклонения большой полуоси от вертикали 0 и кинематического коэффициента Я 186
4.7.5. Изменение момента сопротивления и потребной мощности на обработку дернины эллиптическим лопастным бороздовскрывателем 188
4.8. Особенности силового расчета ЛРРО при сплошной обработки почвы 191
4.8.1. Анализ процесса взаимодействия лопастного рабочего органа с почвой при сплошной основной обработке 191
4.8.2. К расчету реакции почвы деформации передней гранью вращающегося клина 194
4.8.3. Сопротивление почвы деформированию передней гранью ножа 201
4.8.4. Укрупненный метод расчета реакции почвы при ее сплошной обработке ЛРРО 206
5. Проектирование неплоских рабочих элементов ротационных почвообрабатывающих рабочих органов 217
5.1. Предпосылки к обоснованию винтовых рабочих элементов почвообрабатывающих рабочих органов 217
5.2. Обоснование формы и функциональных параметров отдельных участков рабочих элементов , 226
5.3. Типоразмерный ряд ЛРРО 234
5.3.1. Классификация ЛРРО как винтовых поверхностей 234
5.3.2. Бороздовскрыватель дернинной сеялки... 236
5.3.3. ЛРРО для сплошной поверхностной обработки почвы 238
5.3.4. ЛРРО для гребнеобразования, междурядной обработки 241
5.3.5. Кротователь чизельного глубокорыхлителя 243
5.4. Изучение неплоских лопастей методом сечений 244
6. Методика и результаты экспериментальных исследований . 249
6.1. Программа экспериментальных исследований , 249
6.2. Описание конструкции лабораторной экспериментальной установки 250
6.3. Методика проведения лабораторных исследований 253
6.3.1. Исследование формы борозды 253
6.3.2. Исследование формы стружки 253
6.4. Основные результаты лабораторных исследований 254
6.4.1. Исследование работы эллипсовидного лопастного бороздовс-крывателя методом скоростной киносъемки., 256
6.4.2. Определение параметров скалываемых кусков почвы 259
6.4.3. Четырехфакторный эксперимент по определению ширины зоны разрушения 261
6.4.4. Изменение момента сопротивления на валу моделей ЛРРО 264
6.5. Описание полевой экспериментальной установки 265
6.6. Описание конструкции макетного образца экспериментальной комбинированной дерниной сеялки 268
6.7. Методика экспериментального определения величины движущей силы, развиваемой эллипсовидными лопастными бороздовскрывателями 272
6.8. Анализ результатов полевых исследований 273
6.8.1. Результаты эксперимента по определению качества крошения и энергозатрат в полевых условиях 273
6.9. Агротехнические показатели работы эллиптического лопастного бороздовскрывателя 275
6.10. Влияние угла отклонения большой полуоси лопасти от вертикали на силовые и энергетические параметры бороздовскрывателя 281
6.11. Влияние подачи на лопасть на силовые и энергетические показатели работы бороздовскрывателя 285
Общие выводы 288
Список литературы , 292
Приложения 315
- Техническая оснащенность метода
- Годограф абсолютной скорости частицы
- Условие защемления растительных остатков лезвием лопастного рабочего органа
- Определение горизонтальной составляющей реакций сдвига почвы
Введение к работе
Для успешного развития животноводства необходимо создание прочной кормовой базы.
Важная роль в решении этих задач отводится естественным кормовым угодьям, площадь которых в Российской Федерации около 80 млн. га, в том числе под сенокосами 20 млн. га, под пастбищами - около 60 млн. га, из них около 10% улучшенных. Средняя продуктивность неулучшенных сенокосов К9 ц/га сена, с неулучшенных пастбищ- 3-^-5 ц/га.
Следует отметить, что при этом одновременно должны решаться задачи противоэрозионной защиты кормовых угодий, значительная часть которых расположена на склонах.
Основоположник теории семенного размножения трав на лугах профессор Т. А. Работнов [207] указывал, что «... повышения продуктивности травянистой растительности можно достичь как путем регулирования состава ценозов, так и в результате воздействия на среду...Неполное использование среды ценозом может быть связано с отсутствием или малой численностью видов, способных использовать среду наиболее экономично и полно, вовлекать во внутриценозный круговорот элементы пищи, извлеченные из среды или соединений, недоступных для других компонентов (азот атмосферного воздуха и прочее)»
Различают коренное и поверхностное улучшения.
Коренное улучшение путем подъема и оборота пласта плугом или разделки почвы фрезерной машиной позволяет не только избавится от старого травяного покрова, но и глубоко заделать семена сорняков и тем самым подавить их развитие. Фрезерование наиболее эффективно при ускоренном залужений, однако оно не находит широкого применения из-за большой энергоемкости и низкой производительности фрезерных машин и, как следствие, высокой стоимости работ. Способ улучшения пастбищ вспашкой с оборотом пласта является основным. Он продолжителен и требует больших затрат ра-
бочего времени, а на почвах с малым гумусовым слоем вообще не рекомендуется, потому что вместе с дерниной на дно борозды сбрасывается наиболее плодородный слон, а подпочва выносится на поверхность.
При поверхностном улучшении без сплошного разрушения дернины подсевают наиболее ценные в кормовом отношении травы, вносят удобрения. Это рекомендуется при содержании в травостое не менее 25...45% бобовых и злаковых, на участках с мелким пахотным горизонтом, при наличии каменистой подпочвы, и там, где уничтожение дернины, даже временное, может вызвать эрозию почвы.
Одним из основных мероприятий поверхностного улучшения является подсев трав в дернину. Подсев производиться специальными сеялками, а также зерновыми сеялками, используемыми при «нулевой» обработке почвы. Специальные машины в зависимости от способа обработки дернины и типа рабочих органов классифицируются на сеялки дисково-сошникового типа, чизельиые и модифицированные почвофрезы.
Более благоприятные условия для произрастания семян, выживания и развития всходов подсеваемых трав создаются при подсеве по полосам, на которых дернина и травостой разрушаются фрезой. Семена попадают в подготовленную почву, а корневая конкуренция травостоя появившимся всходам в результате обработки дернины существенно ослабляется.
Предложенный нами [1, 2] активный бороздовскрыватель с эллиптически сегментными лопастями производит подготовку полосы дернины под посев семян трав и осуществляет заделку семян и минеральных удобрений. Лопасть формирует стружку преимущественно деформацией резания со скольжением, которая является наименее энергоемким видом деформации при обработке дернины. В процессе взаимодействия лопасти с почвой окружная скорость по ширине борозды будет постоянной. Последовательный вход в почву точек лезвия лопасти способствует равномерной загрузки механизмов привода рабочего органа. Так как рабочая длина лезвия лопасти бороздовс-крывателя гораздо больше аналогичного показателя фрезерного ножа, при прочих равных условиях износ лопасти будет меньше чем ножа.
Неоспоримым достоинством лопастных рабочих элементов является малый угол резания, заметно меньший по сравнению с углом резания ножей почвофрез.
Подобные рабочие органы имеют значительные преимущества при работе на полях, засоренных камнями и древесными включениями, в силу их способности перекатываться через препятствия на их пути без поломки.
Вышеизложенное позволяет утверждать, что разработан новый класс ротационных почвообрабатывающих рабочих органов, новизна которых подтверждена рядом авторских свидетельств и патентов [1, 2, 3, 217].
Кинематический анализ ротационных рабочих органов, годограф скоростей точек лопасти и частиц почвы позволили выявить пути расширения функциональных возможностей рабочего органа, повышения качества обработки почвы, снижение энергозатрат.
Лопастной ротационный рабочий орган - активный предплужник сообщает потоку почвы скорость, достаточную для отбрасывания на ширину захвата корпуса плуга, при этом образуется движущая сила, разгружающая ведущие колеса трактора.
Рабочий орган, оснащенный лопастями с винтовой поверхностью, формирует гребни для посадки картофеля, а также используется для междурядной обработки.
Для сплошной основной обработки почвы рабочие органы насаживаются на вал с угловым сдвигом смежных ступиц. Вогнуто-выпуклая поверхность лопасти создает знакопеременное напряженно-деформированное состояние в пласте. Если на «носке» лопасти вогнутая вдоль хода пласта поверхность имеет выпуклость поперек хода пласта, а на «пятке» - противоположное сочетание форм поверхностей, то достигается крошение пласта при существенно низких энергозатратах.
Безотвальное исполнение рабочих элементов роторов ротационной бороны обеспечивает перепускание почвы через спинку ножа, не допуская отбрасывания почвы, тем самым, реализуя новый способ поверхностной обра-
боткн, включающий формирование прерывистых микроячеек на дне обработанного слоя и ровную дневную поверхность.
Ротационный самовращающийся рабочий орган, имеющий вид четы-рехзаходной конической спирали, используется в качестве кротователя к глубокорыхлнтелю. Крошение пласта производится сжатием, переходящим в растяжение по мере воздействия на него последующих участков спирали.
Таким образом, на базе дернинного бороздовскрывателя с эллиптическими лопастями сформирован типоразмерный ряд перспективных ротационных почвообрабатывающих рабочих органов.
Работа выполнена в соответствии с позицией 04.09 научно-технического задания О.сх.109 междуведомственной программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 1981-1985 гг., координированной ВИМ: «Разработать и внедрить машины и орудия для защиты почв от водной, ветровой и других видов эрозии, предусмотренные системой машин на 1981-1990 гг. и обосновать новые технологические процессы и средства механизации, удовлетворяющие требованиям почвозащитного земледелия». Тема диссертационного исследования вписывается в современный перечень проблем научного направления РАСХН «Механика и процессы аг-роинженерных систем, создание техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры АПК».
Механико-технологическое обоснование технологических, конструктивных параметров и режимов работы ротационных почвообрабатывающих рабочих органов на базе дернинного бороздовскрывателя с эллиптическими лопастями по критериям энергозатрат и качества, а также кинематический и силовой анализ их работы с целью расширения функциональных возможностей и одновременным поиском путей повышения качества работы и снижения энергозатрат является основным содержанием диссертационной работы.
На защиту выносятся: 1. Методика качественного анализа взаимодействия плоского диска с почвой.
Методика проектирования многофункциональных ротационных рабочих органов с лопастными рабочими элементами, характеризующимися малыми углами резания и постоянством окружной скорости резания по ширине вскрываемой борозды.
Математические зависимости по определению параметров и режимов работы ЛРРО.
Аналитические выражения, устанавливающие зависимость силовых, энергетических, качественных показателей работы от параметров и режимов работы ЛРРО, физико-механических свойств почвы.
Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях.
Типоразмерный ряд ротационных почвообрабатывающих рабочих органов на базе дернинного бороздовскрывателя с эллиптическими лопастями.
Результаты исследований используются в учебном процессе ряда вузов; использованы: министерством сельского хозяйства ЧР для разработки системы ведения сельского хозяйства в Чувашии на 1990-2000 гг.; в СКТБ ТМ г. Чебоксары для разработки шлейфа почвообрабатывающих органов к мотоблоку, а также для разработки проектно-технической документации и опытных образцов орудий поверхностной и основной обработки почвы во ВНИИРе г. Чебоксары и на экспериментально-опытном заводе «Цивильск-хмельмаш» ГНУ «НИПТИХ» РАСХН г. Цивильск.
Чизельный глубокорыхлитель с реактивным ротационным кротователем, разработанный на основе а.с. СССР №954002, прошел испытания на Кировской МИС и рекомендован к производству.
Выражаю искреннюю признательность д.т.н., профессору Медведеву В.И., к.т.н., доцентам Мазярову В.П., Чаткину М.Н., Лыскову А.С, Константинову Ю.В., Чегулову В.В., с которыми в разные годы совместно проводились исследования рабочих органов типоразмерного ряда.
Техническая оснащенность метода
Для достижения успеха в улучшении кормовых угодий способом подсева необходимо подавление имеющейся растительности, высев семян с качественной заделкой на необходимую глубину с последующим при каты вани-ем, а также внесение удобрений с обязательной заделкой их в дернину (рис. 1.2). Анализ схемы, приведенной на рис. 1.2, позволяет сделать вывод о том, что способ подсева базируется на специальных сеялках прямого посева, основным почвообрабатывающим органом которых является диск или узкозахватная фреза. Сошник (двухдисковый, анкерный или килевидный (рис. 1.3а, 1.36) служит для заделки семян и удобрений, как правило, с почвенной прослойкой между ними, т. е. удобрения располагаются ниже или сбоку от семян [20]. Были попытки приспособить серийные дисковые сеялки для подсева по дернине. Но для этого требовалось большое вертикальное усилие для заглубления сошников в дернину, которое достигалось за счет балласта, использования гидравлической системы, увеличения собственной массы. Существенное улучшение качества работы таких сеялок произошло после появления трехдисковых сошников на параллелограммной подвеске. Технологический процесс осуществляется следующим образом. При движении в рабочем положении дисковый нож прорезает в необработанной почве узкую щель, в которую входит дисковый сошник, образуя клиновидную уплотненную бороздку. Положения опорных колес сошниковой группы, a) б) Рис. 1.4. а) Усовершенствованный трехдисковый сошник Беттинсона; б) Сошник прямого посева Бамлетта. -С Рис. 1.5. Сеялка конструкции УНИИМЭСХ. установленных в непосредственной близости к дискам сошника, позволяет независимо от микрорельефа точно выдерживать заданную глубину заделки семян, поступающих в борозду. Прикатывающие диски заделывают бороздку. (20-Sex-BJ-150, сеялки конструкции УНИИМЭСХ, сеялки MF-130, Bettinson DD, SD-300) (см. Таблицу 1.2). Особенностью модели Uni-Drill является анкерные сошники с наральниками, обеспечивающими качественную заделку семян на пастбищах с большим количеством растительных остатков. Рис. 1.6. Сеялка MF-1 SO фирмы Massei Fergnsson.
Фирма Tue (США) выпускает сеялки, в которых перед двухдисковым сошником в зависимости от плотности почв, состояния растительности может быть установлен как плоский, так и рифленый диск, а иногда диск с волнистым краем. Последние обладают большой активностью воздействия на дернину, лучше самоочищаются, но хуже заглубляются. Основным преимуществом сеялок, оборудованных трехдисковым сошником, является высокая рабочая скорость, которая на выровненных по микрорельефу рыхлых песчаных, гумусовых почвах может достигать 12..20 км/ч. Но сеялки такого типа требуют значительное вертикальное усилие для заглубления сошника в дернину, не обеспечивают создание благоприятных условий для роста и развития растений. Последнее обусловлено большим скоплением корней основной растительности, а также токсичными корневыми выделениями и продуктами распада корней. Необходима минимальная подготовка семенного ложа путем механического рыхления и крошения в зоне расположения семян. Учитывая, что подсев необходимо провести рано весной в условиях высокой влажности дернины, агрегаты с большой массой приводят к травмированию растительности, колееобразованию. Использование в сеялках прямого посева долотообразного сошника в сочетании с дисковым ножом, закрепленными на одной сошниковой грядиле несколько устраняет эти недостатки.
Сошниковая группа сеялки прямого посева по дернине предварительно обработанной атразином [242]. Вертикальное усилие, действующее со стороны пласта на долотообразный сошник при заглублении его в дернину, способствует внедрению дискового ножа на необходимую глубину. Сам же сошник, имея развитые щеки, производит рыхление и крошение дернины в зоне высева семян. Австралийские луговоды широко используют стерневую сеялку, сошниковая группа которой представлена на рис. 1.8 [170]. На поводке сошника для надрезания дернового слоя крепится дисковый нож с накладной ребордой, который одновременно ограничивает заглубление основного сошника. К корпусу сошника, имеющему в поперечном сечении V - образную форму, прикреплен уширитель в виде плоского ножа, который рыхлит почву в нижней части вскрытой борозды. Ширина борозды на поверхности поля получа 28 ется меньше, чем в нижней части; благодаря чему рационально используется почвенная влага. В стерневой сеялке, разработанной Чехословацким научно-исследовательским институтом сельскохозяйственного машиностроения [241], долотообразный сошник расположен на расстоянии 2..5 см от ножа и идет на 1,5..2 см глубже. Такая компоновка сошниковой группы позволила добиться равной с трехдисковым сошником величины заглубления при уменьшении потребной вертикальной нагрузки на 30 %.
Годограф абсолютной скорости частицы
Для построения годографа скоростей резания воспользуемся методом, изложенном в [210], применительно к почвообрабатывающим фрезам. В двух положениях лопасти при а - л/2 и а - Зтг/2 результирующая скорость равна алгебраической сумме скоростей v и v0 и направлена по касательной к окружности бороздовскрывателя. При прямом вращении («сверху - вниз») скорость точки А2 равна va — v(/L-l), а точки Л4: vt4=v( + 0 (рис. 2.17). Отложив величины скоростей точек Ai и /І4 в определенном масштабе и соединив их концы прямой «2 +, найдем мгновенный центр вращения бороз-дообразователя - точку ОЛ. Для построения годографа результирующей скорости из точки пересечения линии щщ с горизонтальным диаметром (02) провести окружность, проходящую через концы векторов скоростей va и va . Радиус окружности Rr =г{а 2 + \). Результирующая скорость точек окружности бороздообразователя равна по модулю произведению угловой скорости UJ на радиус, проведенный из мгновенного центра вращения Оу к данной точке и направлена по нормали к лучу, соединяющему мгновенный центр с данной точкой. Имея годограф результирующей скорости в плосковращательном движении, переходим к построению годографа абсолютной скорости частицы почвы. Для этого необходимо учесть составляющую скорости частицы почвы вдоль оси вала vz = v0 tg/?cos(#? + М). Таким образом, она зависит от угла поворота, углового параметра р, кинематического коэффициента Л, угла наклона большой полуоси Д (рис. 2.17). К концу вектора результирующей скорости точки Л\, лежащей на границе дневной поверхности, почвы приложим вектор V; - проведем перпендикуляр Д Д", на котором отложим в принятом масштабе модуль скорости v7 =vZMAX =v0tg/? (для малой полуоси лопасти параметр 7=90). Аналогично поступим в точках A2i A3, Проведем сложение векторов vpe3 и v- в точках А\, Аъ Аз. Получим годограф абсолютной скорости частицы почвы, на которую лопасть воздействовала начальной частью (участком лопасти около малой полуоси - «носком»).
Аналогично можно построить годограф скоростей частиц почвы, на которую лопасть воздействует любым другим участком лопасти, который (участок) задается параметром р. Вектор Ах — А" - вектор абсолютной скорости частицы при воздействии малой полуоси (7=90). Его положение в пространстве можно узнать с помощью направляющих косинусов. Вычислим значение направляющих косинусов углов, характеризующих положение вектора абсолютной скорости почвы относительно осей координат х, у, z: взаимодействии с лопастью приобретает её скорость, определим составляющую скорости вдоль оси OZ: y?z=y- .Из годографа и графиков изменения Ї], в, є видно, что на участке входа лопасти #?=60о...900 в почву частицы почвы будут двигаться в основном в почвенное полупространство. Почва будет испытывать напряжение смятия. Когда лопасть заглубится на наибольшую глубину (малая полуось займет нижнее вертикальное положение), будут иметь место напряжения сдвига в плоскости дна борозды, преимущественно в направлении, противоположном движению рабочего органа. При этом формируется движущая сила, способствующая поступательному движению орудия. На участке выхода лопасти из борозды (Л2-А2) вектор абсолютной скорости направлен в основном вверх, в свободное полупространство, лопасть будет выносить почву из борозды.
При взаимодействии средней части лопасти ( р=30...60) с почвой общий характер изменения скорости сохранится. На участке входа {cot а{= arcsin(l-/i/r)) приблизительно до а2 = cot -njl почва будет испытывать напряжения смятия, но в меньшей степени будет сказываться стремление лопасти примять почву к стенке борозды. Для «носка» лопасти с #7=60...90 это было выражено более рельефно. Если средняя часть дойдет до положения наибольшего заглубления, то она стремиться сдвинуть частицы почвы в направлении, противоположном вектору v„, создавая тем самым движущую силу, уменьшая тяговое сопротивление агрегата. На участке выхода (от т2 до u}t3) средняя часть («грудь») лопасти будет стремиться выносить почву из борозды, но это менее выражено, чем носовой частью лопасти. Существенно меняется картина при воздействии «хвостовой» части лопасти на почву. Она по характеру воздействия на пласт более похожа на стойку фрезерного ножа: не обладает выраженным эффектом смятия (на I участке), эффектом сдвига (на II участке). Возможности выноса почвы также ограничены (III участок). Она определяется главным образом, величиной скорости V;. Из графиков изменения rj, ви ОБИДНО, что есть рабочие режимы и углы Д при которых способность лопасти выносить почву из борозды (угол О меняет знак) резко отличается. Это следует использовать при проектировании рабочих органов с разным технологическим назначением. Например, при проведении аэрации дернины для уменьшения объемной массы почвы, улучшения доступа кислорода, влаги и удобрения для ускоренного разложения органических веществ дернины, необходимо выносить по возможности всю почву из борозды. Такое качество - выносить почву из борозды, необходимо и ротационному предплужнику, а также при нарезании гребней и междурядной обработки картофеля. При этом рабочий орган должен выносить почву из междурядья и уложить ее в гряду. При междурядной обработке это должно быть достигнуто при малом Л, чтобы не было заваливания растений почвой. Для технологических операций, связанных с посевом семян трав, внесением удобрений с заделкой их в дернину нежелателен полный вынос почвы. Около половины разрыхленной почвы желательно оставить в борозде. Анализ технологий и средств подсева показал, что семена следует заделать на глубину 2,5 раза превышающий их диаметр (в основном на 1...I.5 см), а при одновременном внесении удобрений необходима почвенная прослойка между семенами и гранулами удобрений.
.
Условие защемления растительных остатков лезвием лопастного рабочего органа
Как правило, рабочие органы сельскохозяйственных машин и орудий работают в условиях засоренности обрабатываемого поля растительными остатками. Для разрезания растительных остатков необходимо их защемление между лезвием рабочего органа и поверхностью почвы, в этом случае они либо перерезаются, либо вдавливаются Ъь 3.7. Схыа защемления растит ных остатков лопастью. в почву. Это зависит от твердости почвы и заточки лезвия. Не защемленные растительные остатки выталкиваются, что ведет к обволакиванию рабочих органов растительными остатками, образованию почвенных наростов и, в конечном итоге, к увеличению их тягового сопротивления. Условие защемления материала круглого сечения между лезвием дискового рабочего органа и дневной поверхностью, полученное В. П. Горячки-ным [37], определяется неравенством: Хо 2 Р,ып (3.20) где Хо - угол защемления (рис. 3.7), который образован горизонтальной плоскостью с касательной, проведенной из точки касания лезвия и разрезаемого материала, pmin - наименьший из углов трения между разрезаемым материалом и лезвием (р \\ разрезаемым материалом и почвой р". Учитывая то, что диаметр разрезаемых растительных остатков, обычно во много раз меньше характерного размера рабочего органа, угол Хо с точностью достаточной для практических целей равен углу Хо между касательной к лезвию в точке, лежащей на дневной поверхности, и этой дневной поверхностью (рис. 3.7).
Если малая полуось лопасти вертикальна в начальный момент времени /=0, то закон движения в неподвижной системе координат Oxyz (рис. 2.20) произвольной точки ее криволинейного лезвия, положение которой опреде ляется углом р (0 р —), записывается в следующем виде (2.38): Если обозначить через h глубину обработки, а через = — относительное заглубление, то для точек дневной поверхности sm{(p+cji) = -(1-). Поэтому, как следует из предыдущего соотношения, в тот момент когда точка, соответствующая (р, находится на дневной поверхности, синус искомого угла равен smj0= , V \ д (3.22) Откуда в свою очередь следует, что наибольшее значение угол % имеет при #У=0, растет с уменьшением угла JB и с увеличением относительного заглубления вплоть до значения — 1. Таким образом, наихудшим по защемлению является участок лезвия вблизи большой полуоси эллиптической лона 127 Условие (3.24) определяет относительные заглубления и участки лезвия, для которых выполняется рассматриваемое условие защемления. Графи ки зависимости критической глубины = 1 - д/1 - (I + tg2 /?sin2 # )sin2 2# min ,при которой еще происходит защемление растительных остатков, в зависимости от параметра (р при различных /? приведены на рис. 3.8. Как следует из этого рисунка и условия (3.24), наименьшее относительное заглубление, при котором происходит защемление растительных остатков, соответствует /М), при этом условие (3.24) переходит в соответствующее условие защемления для круглого дискового ножа [201]:
В случае произвольного угла /? наибольшее возможное заглубление определяется минимальным по (р значением правой части неравенства (3.24), которое соответствует значению (р - 0 (участку лезвия вблизи большой полуоси), и также приводит к ограничению (3.25) (см. рис. 3.8). Так как по результатам исследований проведенных в СибНИИСХозе угол трения растительных остатков о почву р"= 40, а по данным Г. Н. Си-неокова [209] угол трения растительных остатков о лезвие р =45, то (pmin 40, и неравенство (3.25) перепишется так # 0,83. Последнее неравенство, в силу конструктивных особенностей крепления лопастей рабочего органа всегда выполняется на практике, поэтому рассматриваемое условие защемления для всех точек криволинейного лезвия лопасти также всегда выполняется. О. А. Сизов и Ф. М. Маматов [208], установили, что для защемления растительных остатков дисковым ножом требуется дополнительное условие, которое определяется углом щъ образованным направлением абсолютной скорости va точки касания лезвия с разрезаемым материалом и касательной к кромке лезвия диска в этой точке (рис. 3.7): Я" " г При выполнении этого условия равнодействующая сил реакции почвы и лезвия способствует защемлению, в противном случае — выталкиванию, и при его не выполнении разрезаемый материал будет выталкивается. Лезвием ЛРРО растительные остатки будут защемляться в том случае, если угол между векторной проекцией вектора абсолютной скорости точки касания лезвия с разрезаемым материалом на плоскость лопасти и касательной к лезвию в этой точке меньше прямого (рис. 3.7), а с учетом того, что диаметр перерезаемых растительных остатков много меньше характерного размера лопасти, его можно заменить на соответствующий угол і//ц на дневной поверхности. Угол щ не превышает угла у/\, который образует вектор
Определение горизонтальной составляющей реакций сдвига почвы
На элементарную площадку почвы действует нормальная сила, приложенная перпендикулярно к ее плоскости, її касательная сила, расположенная в плоскости площадки. Сила, отнесенная к площади, дает соответственно нормальное ( т) и касательное (г) напряжения в почве. Касательное напряжение вызывает сдвиг почвы и ее срез. Сопротивление сдвигу складывается из двух видов сопротивлений - сопротивления сцеплению и сопротивления внутреннего трения. Сцепление в почве является результатом сил молекулярного сцепления в точках контакта частиц и сил капиллярного сцепления, возникающих вследствие поверхностного натяжения воды. Внутреннее трение является функцией нормального давления частиц друг на друга и возникает вследствие относительного смещения частиц.
При решении задачи распределения напряжений в грунтах механика грунтов базируется на допущении, что любая зависимость при малом изменении исследуемых величин может быть принята линейной. Грунты рассматриваются как линейно-деформируемые тела при давлениях, не превосходящих предела пропорциональности, или при достаточно малых деформациях. В этих случаях применяют уравнения математической теории упругости.
В земледельческой механике также допустимо предположение о линейной деформируемости грунта, когда давление не превышает предела пропорциональности. Например, при работе ходовых аппаратов, полевых досок плугов, копирующих лыж, полозьев. Д. Д. Прокопенко [192], подробно изучавший деформационные и прочностные свойства задернелых почв в зависимости от ее плотности, влажности и задернелости, считает, что использование методов механики сплошных сред при решении задач взаимодействия рабочих органов с задернелой почвой возможно, так как к последней применима гипотеза квазиоднородности. Д. Д. Прокопенко также показал, что к дернине может быть применена гипо 163 теза квазіюднофазиости. Среду можно считать таковой, если ее напряженно-деформированное состояние не зависит от геометрических размеров исследуемого объема. Для проверки этого условия Д. Д. Прокопенко получил экспериментальную зависимость предела прочности от диаметра образца при равных скоростях деформирования и влажности почвы. При этом было установлено, что при скорости деформирования 0,5 м/с предел прочности с увеличением диаметра образца свыше 6 см остается постоянным. С увеличением скорости деформирования предельные значения диаметра образца уменьшаются. Поскольку при взаимодействии рабочих органов с дерниной в деформацию вовлекаются значительно большие объемы почвы, то гипотеза квази-однофазности может быть принята.
В начале, когда лопасть «носком» воздействует на почву в направлении почвенного полупространства (по вектору абсолютной скорости), наблюдается смятие, уменьшение толщины пласта без скалывания, без трещинообра-зования. Далее появляется трещина в направлении дневной поверхности под углом у/. Значит, напряжение смятия в пласте превысило предельную величину. Идет сдвиг - перемещение отколотой части пласта по монолиту.
Г. Н. Синеоков проводил киносъемку процесса отрезания стружки почвы ножом фрезы. При скорости резания 5-6 м/с трещина появляется в направлении вектора абсолютной скорости, затем она расширяется, искривляется в сторону поверхности борозды, в сторону открытой поверхности. Затем откалывается стружка. Идет повторный процесс, однако по мере заглубления ножа размеры основной стружки уменьшаются. При скорости резания превышающей 6 м/с, образуется сразу несколько трещин впереди ножа, что подтверждает хрупкий характер разрушения при работе Г-образного ножа по суглинку [210].
Величину угла сдвига можно определить по уравнению академика В. П. Горячкина, выведеного исходя из теории разрушения Мора, по которой разрушение пласта происходит в плоскости, где действиями нормального и касательного напряжений создается напряжение, равное чистому сдвигу: (ж - а + (р + (рЛ v = -2 . где а - угол клина; р - угол трения почвы о поверхность клина; р\ - угол внутреннего трения. Л. Д. Далин при экспериментах с двугранным клином, отваливающим пласт в горизонтальной плоскости в сторону открытой борозды, установил, что вследствие неоднородности грунта скалывание происходит зигзагами по ломанной линии, каждый отрезок которой направлен параллельно образующим конуса трения. Им предложено величину утла скалывания (сдвига) определить по формуле у/ = 90+а + (р± , В. И. Медведевым [141] предложена методика определения движущей силы от реакции почвы круглым диском-движителем, установленным под углом к направлению поступательного движения орудия. Использование этой методики для определения движущей силы от реакции сдвига почвы эллиптическим лопастным бороздовскрывателем имеет свои особенности, вызванные следующими обстоятельствами: - положение лопасти непрерывно изменяется относительно направления поступательного движения за период отрезания стружки; - лопасть представляет из себя четверть эллипса, соотношение между полуосями которого выражается зависимостью r/R = cos ft. Сопротивление почвы сдвигу определяется величиной касательных напряжений, возникающих в зоне контакта поверхности с почвой. Закон Кулона-Мора гласит: между предельным сопротивлением почвы сдвигу и нормальным напряжением, или удельным давлением, существует прямая зависимость:
