Обоснование рациональных параметров зубовидного рыхлителя для объёмной обра ботки чернозёмных почв Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

климатических условий (природные зоны) требуется применение соответствующих уровней интенсивности технологий, затратный механизм реализации которых учитывает коэффициент а.

2. Для выбранного уровня интенсивности технологий необходимо подбирать соответствующее техническое обеспечение, удовлетворяющее требуемому качеству. Фрагмент технической реализации нами изложен в [8].

Литература

1. Якушев В.П., Полуэктов Р.А. Точное земледелие. Концептуальные положения // Научно-технический процесс в АПК России - стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 года: сб. мат-лов науч. сессии Россельхозакадемии (Москва, 13-14 окт. 2003). - М., 2003. - С. 115-123.

2. Васенев И.И., Сорокина Н.П., Кузякова И.Ф. Место исследований структуры почвенного покрова в гео-информационно-агроэкологическом обеспечении современных систем земледелия // Агротехнологии XXI века: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. - М., 2007. - С. 162-164.

3. Краснощеков Н.В. Инновационное развитие сельскохозяйственного производства России. - М.: Ро-синформагротех, 2009. - 388 с.

4. Власенко А.Н., Каличкин В.К., Андриянушкин В.С. Ресурсосбережение в системе обработки почвы при возделывании яровой пшеницы // Достижения науки и техники АПК. - 2004. - №5. - С. 15-18.

5. Алимов К., Алимов Г. Хлебное поле России // Главный агроном. - 2009. - №9. - С.4-7.

6. Игнатьев М.Б., Ильевский Б.З., Клауз Л.П. Моделирование системы машин. - Л.: Машиностроение, 1986. - 304 с.

7. Першукевич П.М. Организация труда и производства на сельскохозяйственных предприятиях в условиях многоукладности: теория, методика, проектирование, практика / РАСХН. Сиб. отд-ние. ГНУ СибНИИЭСХ. - Новосибирск, 2005. - 704 с.

8. Утенков Г.Л. Обоснование параметров машинных технологий возделывания зерновых культур в системе точного земледелия //Экология и сельскохозяйственная техника. - СПб., 2009. - С. 126-131.

'--------♦-----------

УДК 631.584.9 М.В. Орешкин

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗУБОВИДНОГО РЫХЛИТЕЛЯ ДЛЯ ОБЪЁМНОЙ ОБРАБОТКИ ЧЕРНОЗЁМНЫХ ПОЧВ

В статье рассматриваются подходы к теоретическому обоснованию параметров зубовидных рыхлителей для осуществления объёмной обработки черноземных почв. Даны конкретные рекомендации по их дальнейшему совершенствованию и применению на практике.

Ключевые слова: зубовидный рыхлитель, рациональные параметры, чернозёмные почвы.

M.V. Oreshkin SUBSTANTIATION OF THE TOOTH-LIKE CULTIVATOR RATIONAL PARAMETERS FOR CHERNOZEM SOILS VOLUMETRIC CULTIVATION

Approaches to theoretical substantiation of tooth-like cultivator parameters for chernozem soils volumetric cultivation realization are considered in the article. Concrete recommendations about their further perfection and application in practice are given.

Key words: tooth-like cultivator, rational parameters, chernozem soils.

Орудия с плоскорежущими рабочими органами, используемые при почвозащитной системе земледелия, не всегда отвечают задачам качественного рыхления почвы до необходимого мелкокомковатого ее состояния из-за своих конструктивных особенностей, а также особенностей физико-механических свойств поч-вогрунтов.

При совмещении плоскорезной обработки почвы с функциональными возможностями зубьев бороны (рис.1) обеспечивается рыхление почвы практически во всем объеме обрабатываемого слоя. В качестве прототипа были выбраны серийные плоскорезы типа КПГ.

Прежде всего рассмотрим вопрос выбора места расположения зубьев бороны при создании орудия для осуществления объёмной обработки почвы. Поскольку назначением зубовых борон является заключительная обработка почвы после плуга или культиватора, очевидно, что в предлагаемом плоскорезе зубья бороны должны быть установлены в зоне максимального крошения почвы лапой плоскореза [1].

Работа плоскореза, как клина, протекает неравномерно во времени - чередующимися циклами. Каждый цикл состоит из нескольких фаз (рис. 2). В начале цикла клин уплотняет почву (рис.2, а), перемещая ее частицы перпендикулярно рабочей поверхности (например, точка П перемещается в точку П' ). При достаточном уплотнении пласт начинает изгибаться (рис. 2, б). Отметим также, что пласт более связанных почв изгибается в этом случае больше [2].

Рис.1. Схема работы комбинированного рабочего органа: А - зона необработанной почвы;

Б - область рыхления почвы лапой плоскореза; В - область объемного рыхления, максимальная обработка грунта; 1 - стойка плоскореза; 2 - лапа плоскореза; 3 - зуб бороны

Третья фаза - сжатие почвы до критического состояния, которое обусловлено ее прочностью. При этом наступает момент скалывания почвы, и сколотый участок сдвигается по некоторой плоскости, имеющей направление, параллельное перемещению частиц при сжатии (рис.2, в) [1].

Длительность одного цикла работы клина составляет от одного (пересохшие почвы) до нескольких сантиметров [2]. Таким образом, на лемехе плоскореза типа КПГ полностью укладываются самые длинные циклы разрушения почвы.

Поэтому даже наиболее разрушенные, а, следовательно, оказывающие минимальное сопротивление обработке зубьями бороны, участки почвы находятся за лемехом плоскореза (рис.3).

Соответственно для размещения рыхлящих элементов в продольно-вертикальной плоскости ХОZ (рис. 4) с точки зрения уменьшения тягового сопротивления целесообразно выбрать зону Б (рис.3).

Зубовые бороны являются самыми простыми и универсальными орудиями, с помощью которых производится рыхление, перемешивание почвенных частиц. Поэтому в качестве орудия для обработки почвогрунта в продольно-вертикальной плоскости остановимся на модифицированном варианте зубовой бороны [3].

Известно, что движение борон, зубья которых размещены на раме «Зиг-Заг», в горизонтальной плоскости ХОУ отличается неспокойным змеевидным ходом. Схема треугольной бороны, брусья которой обра-

зуют равнобедренный треугольник, имеет то преимущество, что боковые силы, действующие на зубья, уравновешиваются между собой. Борона с треугольной рамой идет спокойнее, но для большого числа зубьев она является громоздкой. При небольшом количестве зубьев треугольная рама хорошо себя зарекомендовала и ее широко используют в культиваторах и орудиях, предназначенных для специальных работ [2].

Таким образом, размещение рыхлящих элементов для объемного рыхления почвы в продольновертикальной плоскости (ХОZ) можно осуществить на треугольной раме, жестко закрепленной на подлапни-ках плоскореза (рис.4), причем звенья этой рамы закреплены симметрично, что улучшает устойчивость движения в горизонтальной плоскости ХОУ. Движение пласта в вертикальной плоскости будет происходить согласно рис.5.

Рис. 2. Фазы рабочего процесса клина (плоскореза): а - уплотнение (сжатие); б - изгиб пласта; в - скалывание; N - нормальные силы;

Ф - угол скалывания; а - угол клина для плоскореза типа КПГ = 25о

Рис. 3. Деформации грунта, производимые плоскорезом типа КПГ: зона А - необработанного грунта; зона Б - максимального разрушения почвы; 1 - долото; 2 - лапа плоскореза

Выбор формы зубовидного рыхлителя. Как известно, на тяжелых и средних боронах устанавливаются зубья квадратного сечения со стороной квадрата 16 мм. Зуб работает как двухгранный клин. Переднее его ребро раскалывает почву, а грани раздвигают ее в стороны, сминая и перемешивая частицы грунта. Сечение борозд имеет треугольную форму и заполнено рыхлой почвой. Деформация почвы распространяется от острия зуба вверх под углом 0 = 25-36° к вертикали и доходит по глубине до конца зуба, где зона деформации должна иметь некоторое перекрытие с зоной деформации почвы соседним зубом [4].

Несмотря на то что сопротивление почвы после прохода лапы плоскореза приблизительно равно сопротивлению легких почв, условия работы зуба, направленного от дна борозды к дневной поверхности (снизу - вверх), являются нагруженными. Принимая это во внимание, материалоемкость зубового рыхлителя будем полагать аналогичной материалоемкости зубьев средних и тяжелых борон.

Учитывая, что площадь поперечного сечения стандартного зуба квадратного сечения составляет

S1 = 16x16 =256 мм2, определим условие выбора исходной заготовки для зубовидного рыхлителя проектируемого орудия как S2 (площадь поперечного сечения заготовки) > S1.

Рис. 4. Схема комбинированного орудия для объемного рыхления почвы на базе плоскореза типа КПГ:

1 - долото; 2 - плоскорежущая лапа; 3 - подлапник;

4 - модифицированная жесткая рама звена треугольной бороны; 5 - сечение зуба бороны

Рис. 5. Схема работы рабочего органа для объёмной обработки в почве: 1 - рабочий орган;

2 - рыхлящий элемент; 3 - почва до обработки; 4 - «почвенная волна»; 5 - разрыхлённая почва; 6 - стерня

Из круглых профилей проката наиболее близкими и удовлетворяющими ограничению S2 > S1 явля-

тїїл 3,14 -202

314 мм

ются прутья диаметром с1 =20 мм и сечением Э2 Б2

Круглые прутья в качестве заготовки дают возможность производства предлагаемого орудия в условиях сельских мастерских, в том числе фермерских хозяйств, путем переоборудования имеющихся плоскорезов типа КПГ. По В.П. Горячкину, клин - единственно возможная форма грунтообрабатывающей машины или орудия [4].

Для обеспечения работы зуба предполагаемого рыхлителя, как двугранного клина, достаточным будет формирование профиля поперечного сечения зуба, показанного на рис. 6, состоящим из двух частей -ДСО и ЛОБ, причем для обеспечения режима резки необходимо заострение передней части ДСО по фаскам АС и СО с закруглением передней режущей кромки радиусом г = 3 мм.

Обозначим площадь S3 сечения Б - Б зуба, тогда из условия обеспечения прочности получим:

S2 ^3 = ЭАСО +ЗАОБ. (1)

Полагая в первом приближении форму контура АСО треугольной, получим:

\AD\-\CB\

■ (2)

Б&АСО =

2

Контур АОЕ можно считать полукругом, радиусом АВ=ЕЮ=0,5с1, тогда:

п ■ СІ2

&

ilA.DE '

2-4

\АБ\ • \СВ\ &

= 0,5 • £3 =0,5-Б2ш

Учитывая (1), получим

2

2

, откуда:

(3)

(4)

С

\сл\ = -——

1 \АВ\'

но

ж/"

4

, a d=|AD|.

Тогда \СВ\

ж • с1 4-с/

А-А

3,14 -20 4

Б — Б

увеличено

= 15,7 л/л/

(5)

(6) (7)

Рис. 6 Форма зуба: г- радиус закругления; у - угол грани к линии движения; Ь - высота зуба

Рис. 7. Силы, действующие на грунт: Р - сила трения; <р - угол трения; у- угол грани к линии движения; N - нормальное давление грани на почву; Р - давление почвы на грань зуба по линии движения

Из прямоугольного треугольника ДABC находим tgV, определяющий угол наклона боковой грани АС к направлению движения:

\щ

тг = , но |АВ|=0,5|АО|=О.5с1. а (8)

тогда

2 тс • с/ л

' 4

(10)

Откуда ^= arctg 2/п, ^= 32,6°«33°.

Как известно, напряжение растяжения и сдвига, возникающее при скольжении материала по лезвию, характеризуется меньшим временным сопротивлением, чем деформация сжатия [3]. Соответственно разрыв связи между частицами почвы облегчается при резании с одновременным проскальзыванием грунта вдоль рабочих граней клина. Поэтому обеспечение режима скольжения грунта по рабочим граням является необходимым условием оптимальной работы рыхлящего зуба. Рассматривая силы, действующие на зуб [3-4] (рис.7), установим, что для режима скольжения грунта по грани необходимо выполнение условия P■cos Y> F , но максимальное значение F = N■tg ф, а N = P■sin Y.

Соответственно F = P■sin Y■tg ф, тогда условие, данное в выражении P■cos Y> F, запишем в виде: P■cos Y> P■sin Y■tg ф; ctg Y> tg ф; tg (90°-у)> tg ф, поэтому условие скольжения грунта по грани представимо в виде Y<90°-ф. Согласно [3], угол трения ф для разных почв колеблется от 14 до 42°. Таким образом, Y должен быть менее 48°. Полученное в результате расчета значение ^ приблизительно равное 33°, вполне удовлетворяет вышеуказанному требованию.

Кроме того, полученное значение V приближается к углам граней реально работающих зубьев квадратного сечения, где ^=45°.

Означенное обстоятельство позволяет для определения зон деформации почвы рассчитываемыми зубьями использовать значение 0 (угла деформации) как и зубьев квадратного сечения, а именно 0 =25-36° [2; 5].

Для устранения возможной погрешности в качестве 0 расчетного выберем среднее значение из вышеприведенного диапазона, а именно 0р «31°.

Таким образом, определены значения и параметры, позволяющие осуществлять конструирование и изготовление даже в производственных условиях рабочих органов для осуществления объёмной обработки почвы на основе плоскорезов типа КПГ. Однако требуются дополнительные уточнения, связанные с распределением зубовидных рыхлителей на плоскости и в объёме.

1. Гаюпов Х.Э. Технологическое обоснование параметров и исследование устойчивости плоскореза-щелевателя: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 1978. - 20 с.

2. Василенко В.В. Расчёт рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин. - Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1994. - 288 с.

3. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Г.Е. Листопад [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1986. - 688 с.

4. Заїка П.М. Теорія сільськогосподарських машин. Т.1.Ч.1. Машини та знаряддя для обробітку грунт. -Харьків: ОКО, 2001. - 444 с.

5. Захаров П.С. Эрозия почв и борьба с ней. - М.: Колос, 1978. - 176 с.

Выводы

Литература

♦