Введение к работе
Актуальность. В технологии возделывания сельскохозяйственных культур важное место занимает подготовка почвы к посеву. Для выполнения предпосевной обработки необходимо провести основные технологические операции: крошение (рыхление), уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков. Одновременно, за один проход почвообрабатывающего орудия, выполнить несколько технологических операций способны уплотняющие ротационные рабочие органы - катки. Анализ конструкций и показателей работы уплотняющих почву ротационных рабочих органов, применяемых для выполнения предпосевной ее обработки, позволил сделать вывод, что существующие катки требуют больших энергетических затрат и не удовлетворяют агротехническим требованиям: средняя высота микронеровностей до 20 мм, количество комков размером 1 ... 25 мм не менее 80%, плотность почвы в слое 0 ... 100 мм для зерновых культур 1,1 ... 1,3 г/см3. При выполнении технологических операций применяемые катки склонны к забиванию и обволакиванию растительными остатками и почвой. Причина недостатков кроется в неполной изученности процесса взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой.
Исследования взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой проводились при значительном количестве допущений, которые искажали результаты изысканий. Вопросы теории взаимодействия поверхности обода ротационных рабочих органов с почвой разрабатывались на моделях, основу которых составляла проволочная форма диска катка. Однако положение векторов нормали, бинормали, касательной и скорости, построенных в произвольно взятой точке на проволочной модели, повторяющей форму обода, и в той же самой точке, но на поверхности обода катка не совпадают как по величине так и по направлению. Предлагаемые способы разделения всей поверхности на наружную, боковую и внутреннюю, свойства которых можно было воссоздать чепез, проволочную модель, повторяющую форму обода, не позволили полностью отразить процесс взаимодействия обода катка с почвой. Не раскрыты вопросы теории представления поверхности обода. Отсутствуют исследования по взаимодействию поверхностей с различной формой опорной части на почву.
В этой связи возрастает практическая значимость аналитических методов, позволяющих описать свойства поверхности обода ротационного рабочего органа, выполняющего одновременно несколько технологических операций. Актуальными остаются вопросы поиска оптимальной формы поверхности обода, способной за один проход выполнить обработку почвы, полностью отвечающую агротехническим требованиям.
Цель исследования - повысить эффективность технологического процесса предпосевной обработки почвы за счет совершенствования формы активной поверхности обода ротационных рабочих органов.
Объект исследования - процесс взаимодействия активной поверхности обода ротационных рабочих органов с частицами почвы при выполнении предпосевной обработки почвы.
Предмет исследования - выявление закономерностей изменения упругих и пластических свойств почвы в зависимости от величины и формы активной поверхности обода ротационных рабочих органов, угла атаки, величины удельной нагрузки от рамы и скорости выполнения технологической операции.
Научная новизна. В отличие от существующих для ряда случаев функций, определяющих форму диска и линию его перемещения в пространстве, и используемых для выполнения теоретического анализа процессов деформации и рыхления почвы, разработаны универсальные параметрические уравнения, выражающие при выполнении необходимых подстановок значений геометрическую форму и траекторию движения обода различных типов ротационных рабочих органов. Существующая теория взаимодействия ротационных рабочих органов с почвой соответствует практике лишь в ряде случаев, поскольку свойства обода характеризует соприкасающаяся плоскость, стремящаяся к совпадению с линией, описывающей форму поверхности обода. Принципиально отличается от нее предлагаемая теория представления поверхности ротационного рабочего органа при помощи множества эквидистант, расположенных вокруг аналитически заданной универсальными параметрическими уравнениями линии, описывающей форму обода. Установлено, что воздействие ротационного рабочего органа на почву приводит к формированию на поверхности обода, расположенной внутри почвы, различных областей, в границах которых происходит скольжение, уплотнение и буксование. Для оценки их свойств предложен аналитический способ вычисления площади указанных областей и всей поверхности обода ротационного рабочего органа. В теории взаимодействия обода ротационного рабочего органа с почвой центральными являются вопросы об элементарных реакциях и деформировании почвы на участке контакта с ободом. Полагая, что от решения этих вопросов зависит степень деформации почвы, а следовательно, и эффективность работы уплотняющих ротационных рабочих органов, предложен способ аналитического расчета и геометрического построения границ областей упругой и пластической деформаций под поверхностью обода.
Практическая значимость. Разработанные универсальные параметрические уравнения, отражающие свойства различных типов форм ободьев ротационных рабочих органов, позволяют методом подстановки параметров создавать сложные конструкции, наделенные необходимыми свойствами, прогнозировать их показатели и определять перспективные пути их улучшения на стадии математического моделирования. Разработанный способ аналитического представления поверхности обода позволяет рассматривать ротационный рабочий орган как единое тело, сформированное из прутка некоторого выбранного сечения и свернутого по определенной форме, совершающее движение по зара-
нее выбранной траектории, в результате чего на поверхности обода, погруженной в почву можно представить и оценить как положение, так и величшг/ областей уплотнения, скольжения и буксования, характеризующих процесс взаимодействия обод-почва, наблюдение за которыми при других условиях невозможно. Деформируемость почвы от воздействия на нее поверхностей, имеющих различную форму, предложено выражать через величину областей пластичности и упругости, расположенных под ободом ротационного рабочего органа, что позволяет выбрать оптимальную форму активной поверхности в зависимости от требований, диктуемых технологическим процессом, который необходимо выполнить. Обоснованы параметры и режимы работы уплотняющего ротационного рабочего органа, способного за один проход выполнить предпосевную обработку почвы, осуществив основные технологические операции: крошение, уплотнение, выравнивание поверхности, подрезание и выдергивание сорняков.
Реализация результатов исследований. Уплотняющий ротационный рабочий орган прошел проверку ОПХ «Кочковское». Результаты исследований включены в научный отчет, представленный на соискание премии за лучшую завершенную научную разработку 1996 г. по теме «Обосновать энергосберегающие почвоохранные технологические процессы и технические средства для обработки почвы (на примере создания комбинированного орудия для поверхностной обработки почвы)». Постановлением Президиума Россельхозакадемии данная работа получила вторую премию. Результаты исследований обсуждались на заседании НТС ГСКБ ПО «Сибсельмаш» и приняты к реализации для разработки конструкций опорных ротационных рабочих органов, устанавливаемых на культиваторах и сеялках.
Апробация. Результаты исследований докладывались на сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике памяти Л.В. Конторо-вича Новосибирского государственного университета (1993) и на научно-практической конференции Новосибирского аграрного университета (1998).
Публикации По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, общим объемом 1,8 п.л.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов, библиографии и приложений. Основной материал изложен на 186 страницах машинописного текста, в котором помещено 90 иллюстраций, 163 наименования литературных источников.
