Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1. Агротехнические приемы возделывания агрокультур в условиях Среднего и Нижнего Поволжья 11
1.2. Средства и орудия механизации, применяемые при щелевании почвы 16
1.3. Сравнительная оценка эффективности применения щелерезных агрегатов и использование имеющихся резервов 30
Выводы, цель и задачи исследования 36
2. Теоретическое исследование щелерезного органа .37
2.1. Особенности взаимодействия щелерезного органа с почвой 37
2.2. Обоснование конструкции и принципа действия щелевателя 57
2.3. Оценка энергоемкости процесса щелевания 70
Выводы 73
3. Программа и методика экспериментальных исследований 74
3.1. Программа экспериментальных исследований 74
3.2. Лабораторно-стендовые исследования 74
3.2.1. Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы щелевателем 74
3.2.2. Методика многофакторного планирования лабораторных исследований 81
3.3. Полевые исследования 87
3.3.1. Объект исследования и условия проведения исследований...87
3.3.2. Методика определения плотности и влажности почвы 93
3.3.3. Методика определения твердости почвы 96
3.3.4. Методика определения глубины обработки почвы щелевателями 96
3.3.5. Методика проведения тяговых испытаний трактора К-701 с рабочими органами щелевателями 97
3.3.6. Методика определения влияния щелевания почвы на урожай зерновых культур 101
3.3.7. Методика эксплуатационной оценки работы щелевателя...101
3.3.8. Методика тарировки измерительной аппаратуры 102
3.3.9. Методика обработки данных тяговых испытаний 104
3.3.10. Методика оценки погрешности средств измерения 106
4. Результаты экспериментальных исследований трехъярусного щелевателя в составе агрегата 109
4.1. Результаты лабораторно-стендовых исследований 109
4.2. Результаты полевых исследований 123
4.2.1. Изменение плотности и влажность почвы после прохода трехъярусного щелевателя 123
4.2.2. Изменение твердости почвы после прохода трехъярусного щелевателя 126
4.2.3. Определение влияния трехъярусного щелевателя на деформацию почвы и глубину обработки 128
4.2.4. Результаты тяговых и мощностных испытаний трактора К-701, агрегатированного с трехъярусным щелевателем 131
4.2.5. Определение влияния щелевания почвы на урожай зерновых сельскохозяйственных культур 135
Выводы 137
5. Экономическая оценка эффективности использования трехъярусного щелевателя 140
5.1. Расчет экономической эффективности использования трехъярусного щелевателя 140
5.2. Определение экономических показателей использования трехъярусного щелевателя 141
5.3. Определение затрат на изготовление трехъярусного щелевателя 142
Вывод 144
Общие выводы 145
Список литературы 147
Приложение 158
- Агротехнические приемы возделывания агрокультур в условиях Среднего и Нижнего Поволжья
- Особенности взаимодействия щелерезного органа с почвой
- Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы щелевателем
- Изменение плотности и влажность почвы после прохода трехъярусного щелевателя
Введение к работе
Урожайность сельскохозяйственных культур зависит от взаимного влияния многих факторов — сроков посева; количества органических и минеральных веществ как на момент высева, так и в период вегетации растений; обеспеченности влагой; засоренности поля; количества света и тепла в период созревания. Однако среди определяющих факторов все-таки находятся вода, воздух и тепло [1]. При этом урожайность культуры на 25...30% определяется качеством обработки почвы [2].
К сожалению, в связи с отсутствием необходимой техники или ее недостаточным количеством многие технологические операции в растениеводстве в настоящее время выполняются по упрощенным схемам с нарушением агротехники, с высокими затратами ручного труда и большими потерями продукции [3]. Это приводит и к существенному снижению урожайности, и к общему снижению культуры производства сельскохозяйственной продукции.
Однако, благодаря принятию к исполнению национального проекта по сельскому хозяйству «Развитие АПК» наметились позитивные тенденции по оживлению сельскохозяйственного производства. Как известно, проект включает в себя три направления: «Ускоренное развитие животноводства», «Стимулирование развития малых форм хозяйствования» и «Обеспечение доступным жильем молодых специалистов (или их семей) на селе» [4]. При этом по направлению «Ускоренное развитие животноводства» основными целевыми показателями проекта являются: увеличение производства мяса на 7%, молока на 4,5% при стабилизации поголовья крупного рогатого скота (КРС), в том числе коров, на уровне не ниже уровня 2005 г.
Понятно, что без развития кормовой базы животноводства такое увеличение просто невозможно. В условиях Среднего и Нижнего Поволжья существенное значение для поддержания и развития кормовой базы животноводства имеет использование многолетних трав и фуражного зерна. При этом во всей совокупности аргоприемов одной из важнейших операций, например, для многолетних трав, является щелевание, которое предусматривает нарезку вертикальных щелей на поле без выноса нижележащих слоев почвы на ее поверхность. Основное назначение щелевания - это улучшение водопоглощающей способности почвы и защита почвы от водной эрозии.
В процессе щелевания должны соблюдаться следующие требования [5]:
• глубина щели - до 0,40 м с допустимым отклонением ± 0,05м;
• ширина щели —0,025...0,05 м;
• расстояние между щелями - 1,4 м (при влажности почвы не выше 24%). Кроме того, качество сформированной щели должно быть таким, чтобы стенки щелей обеспечивали хорошее впитывание влаги, а вспушенность поверхности поля от прохода ножей-щелерезов не препятствовала бы работе сенокосилок.
Обычно количество рабочих органов щелевателя определяет загрузку тракторов при скоростном режиме до 2,5 м/с с условием обеспечения удельной производительности 0,75 га/ч на 1 м ширины захвата. При этом на щелевании используются в основном тракторы тягового класса 3.
К сожалению, процесс щелевания сопровождается частыми остановками для очистки ножей, что вызвано обволакиванием рабочих органов корневищами растений и их залипанием. В результате увеличивается тяговое сопротивление орудия, высота прищелевого валика и снижается производительность агрегата в целом.
Современные почвообрабатывающие орудия по способу переоборудования в щелерезы условно можно разделить на две группы: установка дополнительных приспособлений - ножей-щелерезов на плоскорезы-глубокорыхлители и на последний корпус отвальных плугов; установка ножей-щелерезов вместо рабочих органов плугов, плоскорезов-глубокорыхлителей и др.
Наиболее приемлем для переоборудования плоскорез-глубокорыхлитель КПГ-250 [6,7], у которого на раму вместо плоскорежущих лап крепят рабочие органы щелевателя. Установка двух ножей на боковых грядилях рамы позволяет нарезать щели на глубину 0,45-0,5 м, а одного на центральном грядиле - до 0,65 м.
С трактором тягового класса 5,0 возможно использование двух спаренных глубокорыхлителей КПГ-2-150: на орудии, ширина захвата которого составляет 4 м, а межщелевой интервал 0,8 м, срезаются лапы вместе с башмаками, а снизу привариваются долота. Аналогичное переоборудование глубокорыхлителей КПГ-250 в щелеватель позволяет достичь ширины захвата орудия 3 м.
В настоящее время применяется достаточно широкий спектр орудий, предназначенных для щелевания: комбинированные агрегаты УНС-5 и УНС-3; плоскорез-щелеватель комбинированный ПЩК-3,8; агрегат почвообрабатывающий комбинированный АПК-6; щелерез-кротователь РЩН-2-140; рыхлитель-щелеватель РЩ-0,80; щелеватель ЩН-4; агрегаты подпахотные KOS-2,1, KOS-3,0, KOS-4,1, (Польша); плоскорез-рыхлитель ППР-2,5.2; плуги чизельные ПЧ-4,5, ПЧ-2,5, ПЧК-4,5; плуги-рыхлители ПРПВ-5-50, ПРПВ-8-50, ПБ-5, ПБ-9; комбинированный плуг-рыхлитель ПРК-7-40; агрегаты чизельные АЧП-2,5, АЧП-3 и АЧП-4,5 [8]. Однако сам процесс щелевания базируется на неизменных принципах, состоящих в глубоком проникновении в почву, как правило, одного рабочего органа, поэтому и качество получаемой щели также остается неизменным [9-13]. Этот же фактор ограничивает и снижение тягового сопротивления орудия.
Целью исследования является повышение эффективности процесса щелевания путем распределения функций рабочего органа щелевателя по нескольким ярусам. Объект исследования: процесс щелевания почв в условиях Среднего и Нижнего Поволжья.
Предмет исследования: рабочий орган щелевателя пассивного типа, имеющий многоярусную конструкцию.
На защиту выносятся следующие научные положения:
• математическая модель процесса щелевания при распределении функций рабочего органа щелевателя по нескольким ярусам;
• параметры и конструктивное исполнение трехъярусного щелевателя пассивного типа;
• результаты лабораторных и полевых испытаний трехъярусного щелевателя, агрегатируемого с трактором тягового класса 5,0 (на примере К-701).
Агротехнические приемы возделывания агрокультур в условиях Среднего и Нижнего Поволжья
Проблема предотвращения эрозии и обеспечения влагосбережения в засушливых регионах России, а также накопление и рациональное использование запасенной влаги в период вегетации растений являются определяющими факторами получения устойчивых урожаев зерновых культур и многолетних трав [14-18]. Только комплексное выполнение соответствующих агротехнических приемов может обеспечить эффективное накопление и последующее рациональное использование почвенной влаги. При этом основными видами потерь влаги в вегетационный период являются ее испарение из почвы и поглощение сорняками. Снижению же влагопотерь, в частности на испарение, служат такие мероприятия, как: рыхление верхнего слоя почвы с одновременным заделыванием трещин и разбиванием крупных комьев почвы, уплотнение разрыхленного слоя почвы с созданием на верхнем горизонте более плотного слоя, препятствующего интенсивному испарению влаги, снижение перемешивания слоев почвы и ее выноса из нижних и, следовательно, более влажных уровней на поверхность. Для регионов, применяющих влагосберегающие агротехнологии, как правило, характерны весенне-летние засухи. Поэтому для них часто единственным условием сохранить урожай является накопление в почве влаги, которая была получена в виде осенне-зимних осадков, и может составлять до 40...50% годового количества. Негативно сказывается на плодородии почвы и приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и многократные — в течение всего цикла сельскохозяйственного производства - проходы по полю тракторов, комбайнов и другой мобильной техники, поскольку приводят к распылению верхнего и уплотнению нижнего слоев почвы [19-22]. При проведении сельскохозяйственных работ от 40 до 80 % поверхности поля подвергается воздействию ходовых систем машинотракторного агрегата (МТА), а поворотные полосы на краю поля подвергаются 8-10-кратному воздействию. Увеличение массы тракторов и сельхозмашин приводит к уплотнению не только пахотного слоя, но и подпахотного горизонта на глубину 1... 1,5 м. В результате чего усиливаются эрозионные процессы, снижается общая и капиллярная пористость плодородного слоя, а объемная масса почвы и ее сопротивление обработке повышаются соответственно в 1,5...2 и 1,3... 1,9 раза. Это, в свою очередь, приводит к снижению жизнедеятельности почвенной микрофлоры и, как следствие, к недобору 20...40 % урожая [23-27]. В связи с повсеместным применением отвальных плугов и плоскорезов образуется плужная подошва, препятствующая проникновению осадков в нижележащие слои и испарению излишков влаги из нижних горизонтов. Перечисленные выше факторы приводят к деградации плодородного слоя почвы и расширению ареала эрозионных процессов [28-32]. Борьба с переуплотнением тесно связана и с экологией окружающей среды: водоемы загрязняются смытой почвой вместе с токсичными веществами в виде остатков минеральных удобрений, пестицидов и гербицидов. Борьбу с уплотнением почвы проводят по трем направлениям: снижение уплотнения, предотвращение уплотнения, разуплотнение. С целью снижения уплотнения почвы совершенствуются ходовые системы МТА, уменьшается масса МТА, создаются широкозахватные и комбинированные машины, используется технологическая колея: при возделывании сельскохозяйственных культур. К способам: предотвращения уплотнения почв может быть отнесена технология«нулевой» обработки почвы.. Для многоукосных культур характерны циклические повторения технологической- цепочки, которые зависят от количества проведенных укосов. Например; люцерна- многолетняя культура и одной из ее биологических особенностей: является ежегодное увеличение количества корней, и их последующее: скручивание, затрудняющее отрастание старовозрастной люцерны [32]. Поэтому для хорошей аэрации корневой: системы, разрушения почвенной корки и поддержания высоких урожаев рекомендуется проводить, глубокое рыхление, (щелевание): люцерны второго и последующих лет жизни: Междуукосное щелевание на орошаемых многолетних травах является дополнительным элементом в технологии их возделывания и имеет многоцелевое назначение: разрушение почвенной корки; улучшение аэрации; прореживание корневой системы растений; эффективное использование;влаги. Прием устройства вертикальных открытых щелей; был предложен К.К.Бамбергом [33], нашел разработку в трудах Н.А.Димо [34]. В середине прошлого века на: Украине уже проводилось экспериментальное щелевание минеральных почв, а в настоящее время такой способ обработки почвы нашел широкое применение w у нас в стране, и за рубежом. В условиях Саратовской области щелевание впервые исследовалось П.С.Волковым [35]. По результатам работ, проведенных вгАткарском; районе Саратовской, области, осеннее щелевание многолетних .трав; показало высокую эффективность в качестве , агротехнического приема, улучшающего физико-механические свойства почвы, и способствующего двойному увеличению урожайности. Щелевание орошаемых многолетних трав, проводимое в Пугачевском районе Саратовской области, позволило увеличить урожайность культур на 8-10 центнеров с гектара, а прибавка урожая травесмеси в районах Саратовского Заволжья от щелевания составила в среднем 5,4-12,0 т/га. В системе земледелия Саратовской области щелевание рекомендуется как обязательный агротехнический прием, способствующий увеличению запасов влаги [36-38] и снижению поверхностного стока воды. Земледелие в эрозионно-опасных и засушливых условиях -рискованное земледелие, поэтому оно требует особого отношения к выполнению почвовлагосберегающих агроприемов и технологий. Поскольку в разные периоды года преобладают различные виды потерь влаги, поэтому и приемы ее сохранения так же имеют существенные отличия, однако имеется ряд общих требований к обработке почвы. Так как стерня, мульча на поверхности поля предотвращают снос снега, уменьшают сток и испарение влаги, то во влагодефицитных регионах предпочтение следует отдавать безотвальным и мульчирующим обработкам.
При подготовке почвы к посеву влага теряется преимущественно за счет испарения, поэтому рыхление и крошение почвы необходимо совмещать с уплотнением ее верхнего слоя и выравниванием микрорельефа поля при минимальном количестве проходов МТА. Такую обработку выполняют комбинированные агрегаты и культиваторы, оснащенные катками.
Особенности взаимодействия щелерезного органа с почвой
В работах советских и зарубежных ученых В.П.Горячкина, А.Н.Зеленина, Ю.А.Ветрова, А.М.Холодова, К.А.Артемьева, В.И.Баловнева, Е.Динглингера, Н.Ратье, В.И.Пындака, И.Б.Борисенко и др. исследованы физические основы процесса взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой, получены выражения для определения усилия резания почвы рабочими органами в зависимости от их геометрических параметров и физико-механических свойств почвы. Однако эти решения рассматривают взаимодействие с почвой широких ножей, где глубина резания значительно меньше ширины резания, например щелерезы (щелеватели). Использование этих выражений для расчета усилия резания почвы узкими ножами приводит к существенным ошибкам по сравнению с экспериментальными данными [74,75]. Это объясняется значительным отличием в процессах взаимодействия с почвой широких и узких ножей. Анализ процесса резания почвы широким плоским ножом показывает, что данный процесс может быть описан в рамках плоской двухмерной задачи. Вырезаемая из массива почва перемещается вверх по лобовой поверхности ножа, испытывая нагрузку от вышележащего слоя почвы. При этом, в основном преобладает деформация сдвига почвы ножом под определенным углом к горизонту. Угол сдвига почвы определяется геометрическими параметрами ножа и физико-механическими характеристиками почвы. Резание почвы, не обладающей сцеплением, сопровождается образованием и перемещением перед рабочим органом призмы почвы, в виде сыпучего тела. При резании почвы, обладающей сцеплением, перед ножом образуются тела скольжения, то есть элементы сдвига почвы, причем ширина разрушения почвы на уровне дневной поверхности превышает ширину рабочего органа [74,76-79]. Такой характер процесса сохраняется-при резании почвы на глубину менее критической глубины резания.
При глубоком резании почвы рабочими; органами почвообрабатывающих машин, когда, как правило, глубина резания превышает ширину резания, картина процесса резания значительно изменяется. Последнее характерно для соотношения ширины и глубины резания — 3 0 [76-81]. Критическая- глу бйна резания может быть определена как, глубина резания, ниже которой почва не выносится на дневную поверхность, а вдавливается в стенки и дно прорези [79,80]. Ниже критической глубины резания преобладают деформации сжатия и вязко-пластической деформации почвы, причем с увеличением общей глубины резания,величина критической глубины резания практически не изменяется, при этом долясил сжатия и; вязко-пластической деформации почвы в общем балансе сил резания; возрастает. Картина деформации почвы при увеличении глубины резания ниже критической также не претерпевает изменений [79,82]. В закритической зоне резания несколько изменяется характер влияния геометрических параметров рабочего органа на общее усилие резания [79,82]. Объем уплотненной почвы в стенках прорези может значительно превышать ширину резания [74,82]. Ниже критической глубины резания характерно образование перед лобовой поверхностью.ножа ядра-уплотнения , которое перемещается вместе с: ножом, периодически разрушаясь и возникая вновь. Выше критической глубины резания процесс резания; наиболее полно соответствует плоской задаче, ниже - пространственной или объемной. Количественное определение усилия глубокого резания почвы на основе известных зависимостей дает существенно заниженные величины сил при различных почвенных условиях и геометрических параметрах рабочего органа.
Данные факторы и ряд результатов исследований [74-80] послужили основой для выбора.гипотезьго возникновении.вязко-пластической деформа-;, ции и деформации сжатия на глубине ниже критической; За. счет вязко- пластической деформации почвы ниже критической глубины резания происходит выдавливание почвы из зоны резания в сторону. Выражение для определения усилия глубокого резания можно записать в следующем виде: где F р - усилие в зоне традиционного резания, Н; F пер - усилие резания на глубине ниже критической глубины резания, Н; F г - усилие резания в переходной зоне, Н. Первое слагаемое выражения (2.1) будем определять в рамках теории резания почвы, разработанной д.т.н., профессором В.И. Баловневым [83,84]. Наличие переходной зоны можно объяснить вариацией физико-механических свойств почвы по траектории резания, поэтому, принимая почву как абсолютно однородное тело, можно сделать предположение о том, что hnep свернется в линию, лежащую на глубине равной hKp. Отсюда выражение (2.1) можно записать в следующем виде:
Для определения полного усилия глубокого резания применим принцип суперпозиций, т.е. принцип независимости действия усилий в зоне рыхления и зоне вязко-пластической деформации на рабочий орган. Этот принцип можно применить на основе следующего анализа. Процесс традиционного резания, сопровождающийся образованием тел скольжения (раковин скола), простирается до глубины, где действие пригрузки, сил трения тела скольжения по почве и лобовой поверхности рабочего органа и вес тела скольжения не будут уравновешены усилием, действующим на тело скольжения со стороны ножа и заставляющим его двигаться вверху. Последнее подтверждается рядом исследований [77,78,81] показывающих, что направление линий скольжения почвы (линий сдвига) изменяется по мере приближения к hKp причем угол направления линий скольжения к горизонту изменяется от 35-38 до 0 на уровне критической глубины резания [77,78]. При переходе hKp линии вязко-пластического течения почвы составляют такой же угол с вертикальной плоскостью, лежащей по направлению движения рабочего органа, а процесс чистого резания с образованием тел скольжения, переходит в процесс вязко-пластической деформации почвы с линиями вязко-пластического течения. При этом критическая глубина резания есть линия границы двух процессов деформации почвы, и ей соответствует минимум энергоемкости процесса щелевания почвы [74,76]. Если в зоне рыхления рост усилия резания с увеличением глубины идет более интенсивно, то при переходе критической глубины резания приобретает вид линейной функции, о чем свидетельствует и распределение давлений на переднюю лобовую поверхность рабочего органа по глубине резания [82].
Как показано выше, при резании почвы ниже критической глубины резания имеет место вязко-пластическая деформация почвы с упрочнением, по мере удаления от рабочего органа переходящая в упруго-пластическую деформацию почвы, чем объясняется реактивное давление почвы на боковые стенки щелереза и частичное смыкание стенок прорези после прохождения рабочего органа [79-82].
Лабораторная установка и оборудование для исследования процесса резания почвы щелевателем
Исходя из общих задач исследований, сформулированных в разделе 1, а также теоретических предпосылок, полученных в разделе 2, программа экспериментальных работ предусматривает [89-93]: - определение сопротивления резанию щелевателя в зависимости от глубины резания, скорости резания, углов резания и заострения; - выявление характера деформирования почвы рабочим органом щелевателем, определение качественных и энергетических показателей технологического процесса, выполняемого щелевателем; - определение изменения урожая зерновых культур после почвообработки, проводимой серийным щелевателем и предлагаемым, а так же на контроле, где почва не подвергалась щелеванию. Объектом исследования являлся процесс взаимодействия щелевателя с грунтом во время резания. Лабораторные исследования проводились в грунтовом канале с двумя типами щелерезов: серийный и экспериментальный трехъярусный [94,95]. Грунтовый канал имеет корыто, в котором насыпан почвогрунт нужного состава и состояния, может перемещаться на катках по направляющим вперед и назад с различной скоростью, задаваемой гидроприводом (рис. 3.1). На портале с возможностью перемещаться в горизонтальной плоскости с помощью передачи «винт-гайка», поворачивать в вертикальной плоскости относительно оси балки и фиксироваться в любом положении клемовыми соединениями, обеспечивая плите три степени свободы. Тензометрический мост, рис. 3.2, установленный на плите, несет на себе рабочие элементы и позволяет производить регистрацию действующих горизонтальных и вертикальных сил с помощью тензометрических резисторных датчиков. Регистрационный датчик представляет собой тонкую проволоку или фольгу из материала с высоким коэффициентом тензочувствительности (отношением изменения электросопротивления к упругому относительному удлинению), который наклеивается на упругий элемент. Упругие деформации элемента приводят к пропорциональному изменению электросопротивления тензодатчика [96].
Управление фунтовым каналам производится с помощью расположен В ходе проведения лабораторных исследований определялось влияние различных геометрических параметров серийного и предлагаемого щелевате-ля на сопротивления резания. Для этого были изготовлены опытные образцы щелевателей с разными геометрическими параметрами. Серийный щелеватель, рис. 3.3, представляет собой вертикальную стойку 1, в нижней части которой установлено долото 2. Стойка щелевателя крепится посредством крепежной планки 3 на горизонтальную плиту 4, которая в свою очередь жестко фиксируется на тензометрическом мосте 5. Мост закреплен на портале 6. Данная конструкция позволяет производить резание почвы до глубины 25 см с интервалом 1 см, а так же производить изменения угла резания стойкой щелевателя в диапазоне от 20 до 150 с интервалом в 5 посредством поворота горизонтальной части портала с помощью червячного редуктора. из рамы 1, на которой посредством горизонтальной оси 2 подвешен корпус 3. На корпусе 3 последовательно друг за другом закреплены ножи 4, 5, 6. Толщина первого, второго и третьего ножей находятся в соотношении Н Н2 Н3. Корпус 3 подпружинен относительно рамы 1 пружиной 7 и может совершать колебательные движения в вертикальной плоскости, вследствие чего во время работы могут изменяться углы наклона ножей. Величина амплитуды колебаний корпуса 3 определяется регулируемыми ограничителями - передним 8 и задним 9. - ножи; 7 - пружина; 8 и 9 - ограничители. Щелеватель работает следующим образом. Посредством переднего ограничителя 8 регулируется и устанавливается оптимальный угол входа ножа 4 в почву, при котором обеспечивается формирование верхнего яруса щели, подрезание растительных остатков и сброс их на стерню. Второй нож 6 формирует собственно щель без деформации ее стенок и верхнего яруса. Третий нож 6 прорезает в дне щели узкую дополнительную щель, что способствует накоплению и удержанию влаги в щели. Встречающиеся незначительные твердые вкрапления в почве гасятся колебаниями корпуса за счет амортизационной пружины. Если на пути агрегата встречается достаточно твердый участок почвы, то корпус 3 отклоняется назад, сжимая пружину 7. При этом первый нож 4 заглубляется в почву и прорезает ее не носком, всей передней заостренной кромкой, облегчая тем самым работу второго ножа 5 по формированию щели, что, в конечном счете, исключает возможную поломку ножей.
Амплитуда отклонения корпуса регулируется задним ограничителем 9 таким образом, чтобы при максимальном отклонении корпуса, третий нож 6 не выходил за пределы угла в 90. Наиболее оптимальное положение этого ножа в пределах от 60 до 90, что и определяет амплитуду качания корпуса.
На данное техническое решение получен патент РФ № 61977 на полезную модель (Приложение 2).
Изменение плотности и влажность почвы после прохода трехъярусного щелевателя
В ходе лабораторных исследований было установлено, что увеличение глубины резания приводит к резкому увеличению сопротивления резания, как у серийного, так и у предлагаемого щелевателей. Однако сопротивление резанию серийного щелевателя изменяется по зависимости Fp=3,6h 39 R2=0,98, тогда как для предлагаемого данная зависимость выглядит как Fp=3,53h1,37 R =0,98. По данным зависимостям можно заключить, что сопротивление резанию серийным щелевателем выше по сравнению с ярусным (предлагаемым) щелевателем.
Сравнение результатов измерения сопротивления резанию при постоянной скорости равной 0,15 м/с в зависимости от глубины резания показали, что сопротивление резанию серийным щелевателем выше по сравнению с ярусным щелевателем и соответственно составляет на глубине 5 см на 3,0 %; 10 см - 5,2 %; 15 см - 7,3 %; 20 см - 6,8 % и 25 см - 7,1 %.
Как видно с увеличением глубины резания происходит повышение сопротивления резанию у серийного щелевателя, по сравнению с ярусным, которое достигает максимального значения при глубине 15 см. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что в процессе резания на режущей поверхности щелевателя (как у серийного, так и у ярусного) образуется уплотненное ядро в виде налипшего почвогрунта. В результате этого в процессе резания участвует не режущая поверхность щелевателя, а данное уплотненное ядро. Вследствие того, что коэффициент трения грунта по грунту значительно выше, нежели коэффициент трения грунта по металлу, то чем больше объем уплотненного ядра перед щелевателем, тем больше его сопротивление резанию. В связи с тем, что резание почвогрунта щелевателем имеет колебательный процесс, то в процессе передвижения щелевателя в почвогрунте уплотненное ядро разрушается и затем вновь образовывается. Это объясняется тем, что в первую очередь в процессе резани грунта происходит его смятие режущей кромкой. Смятый почвогрунт в виде уплотненного ядра далее перемещается режущей кромкой. При наступлении момента, когда предел сжатия почвогрунта режущей поверхностью щелевателя превысит силу трения грунта о рабочую поверхность или силу сцепления почвогрунта перед уплотненным ядром, то происходит разрушение уплотненного ядра путем его разделения на две части с последующим сдвигом в сторону. В результате данного процесса сопротивление резанию снижается, но за счет того, что после разрушения уплотненное ядро снова начинает образовываться, то сопротивление резанию начинает снова возрастать. Процесс образования и разрушения уплотненного ядра протекает постоянно, а его частота зависит от скорости резания. В связи с этим, чем больше объем уплотненного грунта и выше скорость резания, тем больше сопротивление резанию.
Однако необходимо отметить то обстоятельство, что с увеличением глубины резания изменяется плотность почвогрунта в сторону увеличения. Это приводит к тому, что в нижних слоях почвогрунта объем уплотненного ядра снижается, вследствие невозможности его перемещения перед режущей поверхностью, поэтому в большей степени происходит смятие почвогрунта путем его смещения в стороны.
В связи с тем, что у ярусного щелевателя имеется три рабочих органа со своими режущими поверхностями, которые установлены друг за другом на определенном расстоянии и глубине, то процесс резания как бы разделен по времени и глубине. При этом первый нож, осуществляющий резание почвогрунта, имеет наибольшее сопротивление резанию вследствие того, что перед его режущей поверхностью образуется уплотненное ядро, которое перемещаясь перед режущей поверхностью, создает выпор почвогрунта вверх и в стороны. Но глубина резания данным ножом меньше чем у серийного щелевателя, поэтому объем выпора грунта вверх и в стороны значительно меньше по сравнению с серийным щелевателем. Два других ножа идущие следом так же осуществляют процесс резания, но вследствие того, что они осуществляют процесс резания на большой глубине, где в основном происходит смятие почвогрунта, и на их долю приходится малая глубина резания, то сопротивление резанию данными ножами невелико. В итоге данное обстоятельство позволяет получить меньшее сопротивление резанию трехъярусного щелевателя по сравнению с одноярусным (серийным) [108-112].
Как было сказано ранее на процесс образования уплотненного ядра, и как следствия сопротивления резанию, влияет скорость движения щелевателя (скорость резания). В ходе лабораторных исследований было установлено, что повышение скорости резания приводит к увеличению сопротивления резанию как серийного, так и ярусного щелевателей. Увеличение скорости от 0,05 м/с до 0,45 м/с привело к увеличению сопротивления резания серийного щелевателя в горизонте 5 см на 22,7 %; 10 см - 22,1 %; 15 см - 21,3 %; 20 см - 20,2 % и 25 см - 19,5 %. В среднем увеличение сопротивления резанию составило 21,2 %. Для ярусного щелевателя увеличение сопротивления резанию, за счет увеличения скорости резания, составило в горизонте 5 см на 20,7 %; 10 см - 19,5 %; 15 см - 19,3 %; 20 см - 18,7 % и 25 см - 17,5 %. В среднем увеличение сопротивления резанию за счет повышения скорости резания составило 19,1 %.
Производя сравнительный анализ влияния скорости резания на сопротивления резанию серийного и ярусного щелевателей было установлено, что сопротивление резанию ярусного щелевателя при скорости 0,05 м/с на 3,7 % меньше по сравнению с серийным. При увеличении скорости резания данный процент возрастает и соответственно равен при скорости 0,15 м/с - 4,4 %; 0,25 м/с - 5,2 %; 0,35 м/с - 7,4 % и 0,45 м/с - 6,4 %.
Так же были проведены исследования по влиянию изменения угловых параметров серийного и ярусного щелевателей на сопротивление резанию. В ходе исследований определялось влияние угла резания, который находился в пределах от 20 до 90 с интервалом 5, а так же угла заострения изменяющегося в пределах от 30 до 180 с интервалом 10. В ходе исследований угол заострения имел симметричный и несимметричный вид. Результаты исследований представлены в Приложении 3 и на рис. 4.3-4.5.
