Обоснование параметров почвообрабатывающих рабочих органов для обработки суглинистых почв тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор наук Старовойтов Сергей Иванович

• Старовойтов Сергей Иванович
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Старовойтов Сергей Иванович

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Состояние вопроса

1.2 Цель и задачи исследования

2. Методики и результаты экспериментальных исследований физико - технологических параметров суглинистой почвы

2.1 Угол внешнего трения

2.2 Угол внутреннего трения

2.3 Предел прочности на растяжение

2.4 Предел прочности на сжатие. Упругая составляющая относительной деформации сжатия

2.5 Модуль упругости первого рода

2.6 Коэффициент динамической вязкости

2.7 Коэффициент Пуассона

2.8 Удельная потенциальная энергия разрушения почвенных комков

2.9 Коэффициент сопротивления деформации

3. Обоснование геометрических параметров почвообрабатывающих рабочих органов

3.1 Угол трансформации внешней режущей кромки сегмента вырезного диска

3.2 Угол трансформации лезвия лемеха

3.3 Углы стрельчатой лапы с переменным углом крошения и с трансформированным лезвием

3.4 Коэффициент кривой передней поверхности долотообразной лапы

3.5 Коэффициент кривой продольно - вертикальной проекции сферического диска

4. Тяговое сопротивление почвообрабатывающих рабочих органов

4.1 Горизонтальная составляющая тягового сопротивления долотообразной лапы

4.2 Горизонтальная составляющая тягового сопротивления сферического диска

4.3 Горизонтальная составляющая тягового сопротивления плужного корпуса

4.4 Горизонтальная составляющая тягового сопротивления стрельчатой лапы с переменным углом крошения и с трансформированным лезвием

5. Теоретические основы крошения

5.1 Скалывание и излом пласта почвы

5.2 Крошение пласта при работе долотообразной лапы

6. Методики и результаты исследования почвообрабатывающих рабочих органов

6.1 Энергетическое и технологическое исследование работы навесного плуга со стандартными и экспериментальными лемехами

6.2 Энергетическое и технологическое исследование работы универ- 229 сальных стрельчатых лап с переменным углом крошения и с трансформированным лезвием

6.3 Энергетическое и технологическое исследование работы вырезных дисков с трансформированной внешней режущей кромкой

6.4 Энергетическое и технологическое исследование работы экспериментального сферического диска

6.5 Энергетическое и технологическое исследование работы экспериментальной долотообразной лапы

7. Технико - экономическое обоснование использования почвообрабатывающих рабочих органов

7.1 Сменная производительность агрегатов с модернизируемыми рабочими органами

7.2 Стоимость модернизации почвообрабатывающих орудий

7.3 Расчет эксплуатационных затрат модернизируемых почвообрабатывающих орудий

7.4 Экономическая эффективность модернизации почвообрабатыва- 265 ющих рабочих органов

8. Общие выводы

9. Список литературы

10. Приложение диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров почвообрабатывающих рабочих органов для обработки суглинистых почв»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Для сохранения продовольственной безопасности страны нужно обеспечить производство достаточного количества продуктов сельского хозяйства [92] при условии применения интенсивных и высокоинтенсивных технологий [45]. Переход к устойчивому развитию сельского хозяйства предусматривает как один из вопросов рациональное использование машин и орудий [312, 123, 314] с учетом полного соответствия технических средств требованиям отдельных технологических операций [72] на основе повышения производительности работ [73, 298] в оптимальные агротехнические сроки [46, 69].

Обработка почвы, являясь важнейшим звеном в системе агротехнических мероприятий, направленных на поддержание плодородия и производство продуктов растениеводства [126], остается самой востребованной операцией в производстве сельскохозяйственных культур [90, 91, 313, 120, 121, 122]. Планируется довести ежегодную обработку пашни в севообороте до 90 млн. га [54]. Совершенствование машин для обработки почвы проходит в направлении экономии топлива [42] и повышения технологической надежности приемов обработки с учетом почвенно - климатических условий [117, 310]. Интенсификация режимов работы машин [124] требует более глубокого изучения закономерностей протекания технологических [28] и энергетических процессов, имеющих место при нормальном функционировании машин. Поэтому возникает потребность учета внутренних структур процессов, что требует более полного их математического описания и решения ряда сложных вопросов, связанных с условиями работы машин [106, 107, 108, 109, 110, 111] .

Недостаточное совершенство существующих почвообрабатывающих рабочих органов для обработки суглинистых почв связано с тем, что при их создании не в полной мере учитываются физико-технологические свойства среды в условиях сложного характера нагружения. Анализ показывает, что при оптимизации параметров рабочих органов возможно снижение энергозатрат в диапазоне 7% -15%.

Степень разработанности темы. В теоретических и экспериментальных исследованиях объектом обработки является почва [2]. Свойства почвы и принятая технология ее обработки - решающие факторы при определении конструктивных форм и параметров почвообрабатывающих рабочих органов [228, 4, 13].

Одной из самых энергоемких операций в производстве сельскохозяйственных культур является вспашка [49, 138, 136, 137, 308, 66]. И, тем не менее, роль вспашки резко возрастает в связи с тем, что отвальная обработка почвы служит основой экологически безопасных технологий, позволяющих существенно сократить применение химических средств защиты и минеральных удобрений [49, 230]. Энергозатратным элементом лемешно - отвальной поверхности [52] плужного корпуса плуга является лемех. Попытки снижения энергоемкости его работы различны: от подвода в зону резания жидких минеральных удобрений [315], колебания плужного корпуса вдоль направления движения почвообрабатывающего орудия или лезвия, вокруг стойки [196, 278], формоизменения геометрии лемеха. К наиболее перспективным, с точки зрения технической реализации методам, следует отнести формоизменение геометрии лемеха. К востребованным операциям по обработке почвы Брянской области относится дискование с применением гладких, вырезных сферических дисков и культивация с использованием стрельчатых, рыхлительных долотобразных почворежущих рабочих органов. Снижение же энергоемкости при дисковании вырезными дисками возможно при трансформации внешней режущей кромки сегмента в сторону вогнутой поверхности диска. Уменьшение энергоемкости при работе стрельчатых лап осуществимо также за счет реализации переменного угла крошения и трансформации лезвия крыла лапы, при этом режущая кромка будет воздействовать на почвенный пласт в режиме смятия и растяжения, а поверхность крыла деформировать его за счет напряжений косого изгиба и кручения.

Повышение технологической надежности почворежущих рабочих органов, в частности при дисковании и рыхлении долотообразными лапами, заключается в обеспечении устойчивого скольжения пласта при его подъеме по криволинейной поверхности.

Цель исследования. Создание почвообрабатывающих рабочих органов, обеспечивающих снижение энергоемкости и повышение качества технологического процесса обработки суглинистой почвы.

Задачи исследований.

- определить зависимость физико-технологических свойств суглинистой почвы от величины абсолютной влажности;

- обосновать геометрические параметры почвообрабатывающих рабочих органов со сложной геометрической поверхностью при совместном режиме скалывания, излома пласта и устойчивого скольжения почвы;

- разработать методики определения горизонтальной составляющей тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов;

- разработать методику расчета крошения суглинистой почвы;

- провести экспериментальные полевые исследования разрабатываемых рабочих органов с целью получения энергетических характеристик и показателей качества обработки суглинистой почвы;

- доказать экономическую эффективность использования разрабатываемых почвообрабатывающих элементов на суглинистых почвах.

Объект исследования. Процесс взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов с суглинистой почвой.

Предмет исследования. Факторы, влияющие на снижение энергоемкости процесса взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов с почвой.

Методология и методы диссертационного исследования представлены теоретическими и экспериментальными исследованиями. В теоретических исследованиях применены элементы математического моделирования с использованием известных законов теоретической механики и сопротивления материалов. Экспериментальные исследования включали определение физико-технологических показателей суглинистой почвы, энергетических и технологических характеристик разрабатываемых почвообрабатывающих рабочих органов на основе однофакторных и многофакторных экспериментов.

Научная новизна.

• Математические модели, описывающие функционирование рабочих органов в условиях сложного характера нагружения с учетом широкого спектра физико-технологических показателей суглинистой почвы, полученных в результате экспериментальных исследований;

• Методики расчета горизонтальной составляющей тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов;

• Математическая модель крошения поверхностного слоя суглинистой почвы;

• Физико-технологические свойства суглинистой почвы. Практическая ценность работы. Практическая ценность заключается в

том, что используя разработанную методологию, могут быть созданы почвообрабатывающие рабочие органы, обеспечивающие при вспашке, дисковании, культивации снижение энергоемкости и повышение качества технологического процесса обработки почвы. Разработано оборудование для исследования физико-технологических свойств почвы.

Достоверность результатов работы. Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием известных положений теоретической механики, механики грунтов, сопротивления материалов; корректностью применяемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов.

Реализация результатов исследований. Разработанные почвообрабатывающие рабочие органы используются в коллективных, крестьянско - фермерских хозяйствах Брянской области, в производственном предприятии «Агромашсервис», в МТС Трубчевского района Брянской области. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в учебный процесс инженерно-технологического института Брянского ГАУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научно - технических конференциях Брянской ГСХА (2006-2017), ФГБОУ ВО Орловский ГАУ (2014), РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (20117

2013), ФГБНУ ГОСНИТИ (2013-2016), РУДН (2012, 2013), Белорусской сельскохозяйственной академии в г. Горки (2011), ФГБНУ ВИМ (2014, 2015), ГНУ ВСТИСП (2012). В 2014 и 2016 году отмечены бронзовой и серебряной медалями ВДНХ на выставке «Золотая осень» в г. Москва.

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 61 печатная работа, из которых 19 в изданиях, рекомендованных высшей аттестационной комиссией. Имеется 5 патентов на полезную модель и 2 патента на изобретение. Издано 2 монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 305 страницах машинописного текста, содержит 135 таблицы, 140 рисунков. Список литературы включает 331 источник, из них на иностранных языках - 15. Приложение представлено на 125 страницах машинописного текста.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Результаты аналитических исследований процесса взаимодействия почвообрабатывающих рабочих органов с почвой;

2. Закономерности изменения основных физико-технологических свойств суглинистой почвы в зависимости от ее абсолютной влажности;

3. Теоретические положения взаимодействия сложных геометрических поверхностей деформаторов с почвой;

4. Методики расчета тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов;

5. Теоретические положения крошения суглинистой почвы;

6. Результаты энергетических и технологических экспериментальных исследований почвообрабатывающих рабочих органов;

7. Результаты расчета экономической эффективности использования почвообрабатывающих рабочих органов.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состояние вопроса

Обработка почвы [56, 57, 102,103], выполняемая почвообрабатывающими рабочими органами, остается самой востребованной операцией в производстве с/х продукции.

Важно установить понятие о почве как о среде, которая воспринимает и передает механическое воздействие деформаторов [215]. В каждой сплошной конкретной почве наблюдается специфическая зависимость напряжений и деформаций [85, 331]. Специфическая зависимость выражается идеальной моделью [84]. По степени комбинации упругих и вязких свойств идеальные модели можно разбить на три класса [282]. К первому классу можно отнести модель Гука и Ньютона [85]. Идеальным моделям второго класса соответствуют модели Максвелла и Фойгта [36, 84]. К идеальным моделям третьего класса можно отнести модели Пойтинга - Томсона, Барджерса, Кельвина [18, 225].

Если при увеличении нагрузки имеется прямо пропорциональная зависимость между нагрузкой а и относительной деформацией £, то почву можно отнести к идеальной модели первого класса Гука, то есть представить её в виде упругой среды. Если же деформация возрастает неограниченно при определённой величине а, то почву можно представить идеальной моделью первого класса Ньютона.

В идеальных моделях второго класса Фойгта и Максвелла учтена величина и скорость относительной деформации, которая зависит от скорости движения воды в порах. Скорость движения воды в порах связана со скоростью фильтрации. С увеличением содержания в почве глинистых частиц коэффициент фильтрации резко уменьшается. При быстром приложении нагрузки данная почва деформируется как мало сжимаемое тело [47]. Модель Максвелла представляет собой почву перенасыщенную влагой. Модель Фойгта - среднеувлажненную почву, между структурными агрегатами которой имеется вода и воздух [32]. Кривая, полученная с помощью прибора Ци-товича - Файнциммерра [130], соотносит данный тип почвы к модели Максвелла, прямая - к модели Фойгта [9].

Идеальные модели третьего класса, служащие для уточняющих расчетов, моделируют напряженно - деформированное состояние почвенной среды определенного гранулометрического состава и интервала значений абсолютной влажности с помощью прямых перехода почвенной влаги и кривых водоудержания [24].

При влажности, меньшей ее полной влагоемкости, и при сжимающих напряжениях, меньших ее предела прочности, почва под действием нагрузки уплотняется и упрочняется. Неуплотненные почвы при таких влажностях - вяз-коупругие [55]. При разработке теоретических моделей почву, находящуюся в состоянии физической спелости, в основном, представляют моделью Фойгта.

К почвообрабабатывающим рабочим органам относятся лемеха плужных корпусов, стрельчатые и долотообразные лапы, дисковые рабочие органы.

Почва разрыхляется при движении рабочего органа в почвенной массе. Тело является лапой или зубом, если эффект рыхления распространяется значительно дальше его ширины [85], или плужным корпусом, если деформация слоя ограничивается его шириной.

Плужные корпуса [98, 100] конструктивно подразделяются на отвальные, безотвальные, вырезные, с почвоуглубителем, с выдвижным долотом, дисковые и комбинированные [68, 3].

Отвальные корпуса применяют для вспашки с оборотом и рыхлением пласта. Корпус состоит из лемеха, отвала, полевой доски. Отвал и лемех, прикрепленные к стойке, образуют рабочую поверхность корпуса [95, 296, 39, 288, 118]. Рабочая поверхность корпуса плуга подразделяется на культурную, полувинтовую, винтовую и цилиндрическую [299].

Культурные корпуса хорошо оборачивают и крошат почвенный пласт, поэтому их используют для вспашки старопахотных земель [300] на скоростях в интервале 7,7... 12 км/ч. С точки зрения минимальной энергоемкости процесса следует пахать на скоростях, близких к нижнему пределу [71]. В сочетании с предплужниками корпуса с культурными отвалами хорошо работают и на слабозадерненных почвах [71].

Полувинтовые корпуса хорошо оборачивают пласт, но хуже разрыхляют его. Такие корпуса устанавливают, в основном, на кустарниково - болотных плугах, но их также можно применять на плугах общего назначения для вспашки сильно задернелых и целинных почв.

Винтовые поверхности могут быть длинные, короткие, с вогнутой, выпуклой или с прямолинейной образующей. Винтовые корпуса обеспечивают полный оборот пласта без его рыхления и создают наилучшие условия для разложения пожнивных остатков и дернины. Их используют для перепашки пласта многолетних трав, коренном улучшении кормовых угодий и первичной вспашке целинных земель.

В основе теории взаимодействия рабочих органов с почвой лежит теория клина и теория разрушения почвы [215]. При анализе теоретических моделей, на наш взгляд, должно быть отражено пять важнейших моментов: что является выходным параметром модели; как представлены геометрические параметры рабочего органа; как в модели отражена динамичность воздействия и деформа-ционность почвы; как в модели представлен объект обработки?

Выходным параметром модели может быть тяговое сопротивление, работа сил резания [80], напряженно - деформированное состояние почвы, размер тела скольжения. К геометрическим параметрам, косвенно, можно отнести массу почвы, вовлекаемую в деформацию, размеры сечения обрабатываемого пласта, угол резания, форму кривой рабочей поверхности. Динамичность воздействия можно оценить модулем упругости первого рода, скоростью воздействия, силой инерции, временем воздействия. К деформационным признакам следует отнести угол скалывания и излома, коэффициент сопротивления деформации. Почва может быть представлена углами внешнего и внутреннего трения, твердостью, влажностью, удельным весом, плотностью обрабатываемого слоя.

Основоположник земледельческой механики В. П. Горячкин предложил следующее выражение для определения тягового сопротивления плуга [227,

24, 71, 300, 43], которое учитывает затраты энергии на полезную работу, сообщение пласту кинетической энергии и предоление сил сопротивления

Р = { хС+к хНхЬхп + £хНхЬхV2 хп, (111)

^ внеш д у \ /

где Р - тяговое сопротивление, Н;

/теш - коэффициент внешнего трения; С - вес плуга, Н;

Л

^ - коэффициент деформации почвы, Н/м ; н - толщина деформируемого почвенного пласта, м; Ь - ширина захвата деформатора, м; V - скорость движения, м/с;

-5

£ - коэффициент затрат энергии на отбрасывание пласта, кг/м ; п - число корпусов.

Н.В. Щучкиным [24] предложена следующая формула для определения тягового сопротивления

Р = / х С + тп хТ хНхЬ х п, (1.1.2)

^ внеш Д ср 5 V у

где т - коэффициент, отражающий соотношение между удельным сопротивлением почвы и ее твердостью;

Тф - средняя твердость пахотного слоя, МПа.

Использование величины твердости суглинистой почвы в зависимости от значений абсолютной влажности позволяет использовать формулу Н.В. Щуч-кина в качестве экспертного выражения, оценивающего величину тягового сопротивления модернизируемых почвообрабатывающих рабочих органов.

В формуле Н.В. Щучкина геометрические параметры также представлены размерами сечения деформируемого пласта [277]. Почва отражена значением средней твердости. Деформационность пласта выражена через произведение коэффи-

циента тд и величины твердости почвы. При отсутствии прилипания почвы к

рабочим частям плуга коэффициент тд = 0,014.

Г. Н. Синеоков предложил [7] следующую формулу для определения тягового сопротивления плужных почвообрабатывающих орудий

р = т х (О + Я ) + Г х Я + Я

п V 2; ^ V х

(1.1.3)

где тп - коэффициент перекатывания опорного колеса;

Я , Я , Я - вертикальная, боковая, горизонтальная составляющие тягового

сопротивления, Н.

Боковая составляющая

Я = IЯ .

у 3 х

(114)

Вертикальная составляющая

Я = 0,25 х Я

(1.1.5)

Горизонтальная составляющая

Я = кл х Н х Ь х п.

х д

(116)

Формула Г. Н. Синеокова отражает деформационность почвы через коэффициент деформации, а почва, как объект обработки, выражена с помощью угла внешнего трения.

Известна также формула В.В. Кацыгина

-

2 х £

Р = Г х О + кл х Н х Ь х п + £ х Н х Ь х V х п х

«/ внеш д

1 +

\ Р у

х

V 2 х и у

(1.1.7)

где и - скорость распространения напряжений в почве, м/с;

-5

р - плотность почвы до деформации, кг/м .

Скорость распространения напряжений в почве

Е

и =

(118) Р

где Е - модуль упругости первого рода, Па.

В целом, в формуле В.В. Кацыгина геометрические параметры рабочего органа также представлены размерами поперечного сечения пласта. А динамичность воздействия выражена скоростью движения плуга и распространения напряжений в почве.

Таким образом, в формулах В.П. Горячкина Г.Н. Синеокова, В.В. Кацыгина Н.В. Щучкина выходным параметром является тяговое сопротивление, геометрические параметры плужного корпуса отображены размерами поперечного сечения пласта, динамичность воздействия представлена скоростью пахотного агрегата и распространения волн напряжений. Деформационость почвы выражена через коэффициент деформации, отражающий сложный характер нагруже-ния почвенного пласта в момент его движения по лемешно - отвальной поверхности почвообрабатывающего орудия. Почва, как объект обработки, учтена углом внешнего трения, плотностью.

Выражения В.П. Горячкина, Н.В. Щучкина, Г.Н. Синеокова, В.В. Кацыгина не позволяют учитывать возможные изменения конструкции лемеха или отвала, так как фактически не описывают движения пласта по поверхности.

В тоже время достаточно полно описывает процесс взаимодействия почвенного пласта с лемешно - отвальной поверхностью теоретические разработки А.Т. Вагина [23].

Известно также выражение для определения тягового сопротивления лемеха [23]

Р = Рл + Рс + Рдв, (1.1.9)

лем лем лем лем 5 V У

где Р^м - тяговое сопротивление внедренного лезвия лемеха, Н;

Рсжм - тяговое сопротивление при сдвиге пласта лемехом, Н;

- тяговое сопротивление на преодоление динамического воздействия лемеха, Н.

Данное выражение позволяет определить тяговое усилие одностороннего косого клина при воздействии на выступ, открытый с одной стороны. Тяговое усилие внедренного лезвия лемеха

Pл = N xJ 1 + f2 x sin(r + p ),

лем плл y J внеш \/ ~ внеш

(1.1.10)

где N^ " сила нормального давления почвы на лезвие лемеха, Н; Фвнеш.- угол внешнего трения почвы, град.; Y - угол между лезвием лемеха и стенкой борозды, град. Тяговое усилие при сдвиге пласта лемехом

PL = S2 x [cos^ xsinY + f неш x sin(a + щ)х cosa x cos0'] (1.1.11)

где S2 - усилие сдвига пласта, Н; ^ - угол сдвига, град.;

a - угол наклона лемеха ко дну борозды в ортогональном сечении, град.; a - действительный угол подъема пласта, град.;

0' - угол отклонения пласта на лемехе в горизонтальной плоскости от продольно - вертикальной плоскости, град.. Действительный угол подъема пласта

a'= arcsin(sinax sinY). (1.1.12)

Величина подъема центра тяжести пласта

h' =^[нг+b2 -

H + b 2 '

(1.1.13)

Касательное напряжение в плоскости сдвига

G

т

2

где т - касательное напряжение, Па;

- предел прочности почвы при сжатие, Па.

(1.1.14)

Предел прочности почвы при сжатии определяется экспериментальным путем. Характеризует почву определенного гранулометрического состава и зависит в основном от значений абсолютной влажности почвы. Угол сдвига определяется из следующего выражения

Б1П ш х

б1п(а'+ш) ( , ч

--¡-^- 7 , + соБ(а +ш)

сов(а'+ ш)

[г]

х Б1па

£,ху х к х(в1па'+ ^ х соБа' )

1 ' ов ср \ ^ внеш /

л, (1115)

где £ - коэффициент усадки пласта;

-5

уш - объемный вес почвы, Н/м .

Площадь сдвига рассчитывается с учетом коэффициента отношений. Коэффициент отношений первого рода

к=ь.

1 Н

(1.1.16)

Коэффициент отношений второго рода

к

СОБ у

(1.1.17)

При выполнении следующего условия к ^ к площадь сдвига

К =

Ь2

Б1П у х СОБШ

(1.1.18)

В случае, если к ^ к, то площадь сдвига равна

К

к

Б1П у х Б1П Ш

х

Ь -

к х СОБ у

2 х tgШl

(1.1.19)

Угол отклонения пласта на лемехе от продольно вертикальной плоскости в горизонтальной плоскости

0 '= arctg

1 - cos

90 + a

V 2 У У

X tgy

1 + tg2yx cos

90 + a

V

2

(1.1.20)

Усилие сдвига

S2 = Hx F2.

(1.1.21)

Тяговое усилие на преодоление динамического воздействия пласта на лемех

(1.1.22)

(1.1.23)

P1 =-X F1 X V 2 X sin 0O X C0S^1 X(1 - 'max )X •••

g

[sin 0X cos/ + f X sin(8 + /)X cosa'X cos 0'],

где ¿max - максимальный коэффициент усадки пласта. Данная величина равна

= tg/,

max , / \ *

tg (a + /i)

Тяговое сопротивление, затрачиваемое на перемещение пласта по отвалу, равно

p = p л + p + p ,

o под ц спи

где Pkoó - составляющая на подъем пласта, Н;

P - составляющая от действия центробежной силы, Н; Potm - составляющая сил сопротивления пласта изгибу при его обороте, Н. Составляющей сил сопротивления пласта изгибу при его обороте для старопахотных минеральных земель можно пренебречь. Усилие, затрачиваемое на подъем пласта

P^ = G XÍsina + f Xcos8 )xcosa xcos0',

под пл \ пол J внеш ср / пол 5

где Gm - вес пласта на лемешно - отвальной поверхности, Н;

апол - угол наклона полевого обреза лемеха ко дну борозды, град.; 8 - среднее значение угла наклона отвала ко дну борозды в ортогональном сечении, град..

Вес пласта почвы на лемешно - отвальной поверхности

G =л

пл ' п

у х h х Ь2

' ов п

2 х tgy

(1.1.24)

где Нп - толщина пласта на лемешно - отвальной поверхности, м;

г/п - коэффициент, учитывающий увеличение веса пласта по сравнению с плоским клином. Среднее значение угла наклона отвала ко дну борозды

ж

2

+ a

8 = ф 2

Составляющая от действия центробежной силы

P

G х v2

_пл_

g х 2,5 ХРо

х

f { ~ л

л

— + a

2

sin

2

V V )

х siny + f х cosa х cos0'

' ср J внеш пол

где р0 - радиус кривизны поверхности плуга в ортогональном сечении, м; у - среднее значение угла наклона образующей отвала к стенке борозды, град..

Среднее значение угла наклона образующей к стенке борозды

У + У ■

t max t min

Ус

ср

2

где утах - максимальный угол наклона образующей отвала к стенке борозды, град.; утт - минимальный угол наклона образующей отвала к стенке борозды, град.. В теоретической модели А.Т. Вагина выходным параметром является величина тягового сопротивления. Геометрические параметры учтены глубиной обработки, шириной захвата плужного корпуса, углом резания, радиусом кривизны

18

поверхности отвала. Также присутствует угол между лезвием лемеха и образующей отвала к стенке борозды, полевого обреза лемеха ко дну борозды. Деформа-ционность почвы представлена углами сдвига и отклонения пласта на лемехе в горизонтальной плоскости от продольно - вертикальной плоскости, коэффициентом усадки пласта. Динамичность воздействия отражена скоростью плуга. Почва как объект обработки представлена углом внешнего трения, допускаемым напряжением на сжатие, удельным весом.

Теоретические положения А.Т. Вагина достаточно полно описывают процесс взаимодействия почвенного пласта с лемешно - отвальной поверхностью. Тем не менее, в данных теоретических положениях не отражена методика расчета нормальной силы на лезвие лемеха, возможные величины разного удельного давления на поверхности отвала. Угол резания представлен постоянной величиной.

Прообразы современных дисковых орудий уже изготавливались в XIX веке. Изобретение дисковых орудий было вызвано желанием заменить трение скольжения трением качения, так как рабочие органы - диски в процессе работы в меньшей мере забиваются растительными остатками [32]. Также лезвие дисков в несколько раз длинней лемешных, лапчатых и других рабочих органов того же назначения. С учетом этого режущая кромка медленнее изнашивается [95].

Дисковые рабочие органы, обладая наибольшей универсальностью [138], устанавливаются на плугах, лущильниках, боронах [238], сеялках, комбинированных машинах, дискаторах [119, 101, 279]. Они классифицируются по сплошности лезвийной части, по форме диска, по типу выреза, по характеру выреза [294]. По сплошности лезвийной части диски подразделяются на рабочие органы, имеющие сплошное или вырезное лезвие. По форме диски бывают плоские, сферические, гофрированные, конические, рифленые, волнистые. Вырезные гладкие сферические диски имеют вырез типа «ромашка» или же вырез полукруглой формы. Характер выреза может быть симметричным или ассиметричным, иметь форму логарифмической спирали [157] или шестигранника [198]. Ассиметричный вырез обеспечивает лучшее защемление растительных остатков и их измельчение при

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Старовойтов Сергей Иванович, 2018 год

Е^ - Е

об_

2 х Е

(1.1.78)

об

где Еоб - модуль объемной деформации грунта, Па.

Коэффициент бокового распора также соответствует определенному состоянию грунта и определяет его поперечную деформируемость. Коэффициент бокового распора будет постоянен для тех грунтов, механические свойства которых не зависят от перемещения воды в пустотах. Это относится к крупнозернистым, хорошо фильтрующим, скелетным грунтам. В данных грунтах поровая вода свободно передвигается между зернами скелета, не принимает участие в создании реакции сжимающей силы.

При кратковременном нагружении увлажненных грунтов, влага, находящаяся в пустотах, не успевает прийти в движении, вследствие чего грунт проявляет себя как единое целое [146]. Коэффициент деформации различного рода грунтов приведен в таблице 1.1.5 [241].

Таблица 1.1.5

Значения коэффициента поперечной деформации

Грунты Коэффициент поперечной деформации

Крупнообломочные грунты 0,27

Пески и супеси 0,30.0,35

Суглинки 0,35.0,37

Глины при показатели текучести I, I, < 0 0,20.0,30

0 < 4 < 0,25 0,30.0,38

0,25 < 4 < 1 0,38.0,45

Коэффициент Пуассона также связан с коэффициентом бокового давления следующей зависимостью [305]

£ = :Г/, (1179)

1 -и

где £ - коэффициент бокового давления.

В свою очередь, коэффициент бокового давления £ есть отношение приращения горизонтального давления грунта dq к приращению действующего вертикального давления dP

£ = (1.1.80)

Для песчаных грунтов коэффициент бокового давления £ = 0,25...0,37. Для глинистых грунтов в зависимости от консистенции £ = 0,11...0,82 [305, стр. 38].

С учетом изложенного, можно сделать следующий вывод. Коэффициент Пуассона характеризует конкретную почву и ее определенное состояние. В зависимости от влажности и скорости нагружения данный параметр, возможно, изменяет свои значения.

Конструктивные изменения геометрии рабочих органов, осуществленные в пределах упругих относительных деформаций обрабатываемой почвы, позволят осуществить технологический процесс без разрушения почвенных частиц.

При испытании на одноосное сжатие суглинков установлено, что величина упругой составляющей относительной деформации почвы существенно зависит от влажности [133]. При влажности 8,4% упругая составляющая относительной деформации находится в пределах 1,5%. При влажности 12,2% - 2%. То есть с увеличением значений абсолютной влажности величина упругой составляющей увеличивается.

Упругая составляющая относительной деформации почвы, как и предел прочности на сжатие, характеризуют почву определенного гранулометрического состава и существенно зависят от ее значений абсолютной влажности.

К основным параметрам, характеризующим почву как объект обработки можно отнести предел прочности на сжатие [44] и растяжение, углы внешнего и внутреннего трения, ее твердость.

Знание прочностных свойств почвы позволяет наметить пути и методы снижения энергоемкости ее механической обработки: правильно рассчитать и спроектировать рабочие органы, определить условия рационального их применения [71, стр.12]. В процессе воздействия рабочих органов различного рода почва, в большей мере благодаря наличию слабых связей, подвергается случайной комбинации деформаций растяжения, сдвига, сжатия.

Наиболее энергоемкой деформацией является деформация сжатия. Силам сжатия противодействуют все виды сцепления почвы. К ним относятся молекулярные силы сцепления твердых частиц, химические связи, менисковые силы поверхностного натяжения воды, силы трения зацепления и прилипания [31].

Если кубический или цилиндрический почвенный образец подвергается возрастающей нагрузке &х при а2 = аз = 0, то величина &х в момент разрушения называется пределом прочности на сжатие. Предел прочности почвы на сжатие равен

р

( = Р. (1.1.81)

р

Вопросами исследования почвы на сжатие занимались ученые, определяя воздействие катков и ротационных плугов на обрабатываемый пласт, изыскивая оптимальные режимы функционирования комкодавителей картофелеуборочных комбайнов [127, 86, 216]. Так установлено, что временное сопротивление (до начала крошения) [300] при различных видах деформации изменяется в широких пределах. Суглинистая почва имеет временное сопротивление сжатию 65.108 кПа. Вагин А.Т. показал, что удельное сопротивление почвы горизонтальному смятию может составлять 1,44 х 106 Па [143]. На значение данного параметра оказывает влияние влажность почвы.

Так, максимальное значение данного параметра соответствует влажности 20%. При уменьшении и увеличении влажности величина предела прочности на сжатие уменьшается. Значения временного сопротивления сжатию глинистого чернозема приведены в таблице 1.1.6. Для исследований физико -

технологических показателей используются образцы почвы, взятые с помощью пробоотборников различного рода [209, 210].

Таблица 1.1.6

Значения временного сопротивления сжатию

Влажность почвы, % Предел прочности почвы на сжатие, г/см2

12.16 1080,0

19.22 980,0

22.24 650,0

Для глинистого чернозема экстремальные значения предела прочности почвы на сжатие соответствуют абсолютной влажности 12 - 16%. Опять же с увеличением влажности значение данного показателя падает. При увеличении влажности глинистого чернозема с 12% до 24% предел прочности на сжатие падает почти в два раза.

Растяжение (разрыв) - самый мало энергоемкий вид деформации [27, 229, 301]. Данному виду деформации противодействуют только силы сцепления почвы [31]. Результаты исследования предела прочности почвы на растяжение используются, в частности, для расчета тягового сопротивления клина в методике, предложенной А.П. Осадчим [147]. Также с помощью значений предела прочности почвы на растяжение в совокупности со значениями предела прочности на сжатие строится круг Мора и определяется положение огибающей прямой. Угол между огибающей прямой и осью абсцисс дает значение внутреннего угла трения почвы.

Известны значения предела прочности при растяжении суглинистой почвы при влажности 21.28%. Так, в данном случае, временное сопротивление почвы растяжению составляет 5.6 кПа [305]. Также известны величины предела прочности на растяжение глинистой почвы [71, стр.12]. Причем, исследуемая величина неоднозначна и зависит от значений абсолютной влажности почвы. Экстремальное значение, равное 100 кПа, соответствует абсолютной влажности 22%.

По аналогии с пределом прочности на сжатие, уменьшение или увеличение порогового значения влажности, которое соответствует экстремальному значению, приводит к уменьшению величины предела прочности на растяжение.

Величина предела прочности на растяжение глинистого чернозема приведена в таблице 1.1.7. Из данной таблицы видно, что при увеличении влажности от порогового значения 21 - 23% предел прочности на растяжение снижается.

Таблица 1.1.7

Предел прочности почвы на растяжение_

Влажность почвы, % ор, г/см2

21-23 61,8

23-25 52,5

26-28 50

Также получен ряд выражений, устанавливающих изменение величины предельного сопротивления почвы растяжению от скорости нагружения [219, 29]. Так, Виноградовым В.И. получено следующее выражение при динамическом действии силы

( = ( + К х 1п

р 0 Рсп

С Л V

V V У

(1.1.82)

где (0 - временное сопротивление почвы растяжению при скорости нагружения V = 1м / с;

V - действительная скорость нагружения, м/с;

Крсп - коэффициент, учитывающий релаксационные свойства почвы.

В узком диапазоне варьирования скорости зависимость между временным сопротивлением растяжению и скоростью деформации может быть описана линейным уравнением

( =(0 х(1 + Кх V ). (1.1.83)

Данным автором установлено то, что повышение скорости нагружения в 11 раз, увеличивает временное сопротивление растяжению только в 2 раза.

Подсребко М.Д. получены выражения для статического и динамического нагружения при разрушении почвенного образца растяжением.

56

Напряжение при статическом нагружении

аср = Е х£ + ахе" + с, (1.1.84)

где а, d, с - коэффициенты, зависящие от состояния почвы, особенно от влажности.

Временное сопротивление растяжению при динамическом нагружении

о* =а; х еь, -, (1.1.85)

где Ь - коэффициент, отражающий особенности условий нагружения почвенного образца;

\то - скорость перемещения подвижного края образца относительного неподвижного, м/с.

Параметр Ь определяется по выражению

А х Т

Ь =-^, (1.1.86)

2 х /0 ' V У

где А - коэффициент, определяющий свойства почвы;

Т - период релаксации, сек;

/0 - начальная длина образца, м.

В узких пределах изменения скорости нагружения (0,4 - 2 м/с и 2 - 4 м/с) зависимость между прочностью почвы и скоростью нагружения можно считать линейной.

На основании изложенного, можно сделать следующий вывод. Предел прочности на растяжение, являясь самой малоэнергоемкой величиной, отражает почву определенного мехсостава и зависит, в большей мере от влажности почвы, чем от скорости нагружения. Величина предела прочности на растяжение изменяется в довольно широких пределах.

Под трением понимается сопротивление скольжению одной поверхности по другой [95, стр. 425]. Сила трения всегда больше в самом начале скольжения. Началу скольжения соответствует переход от состояния покоя к движе-

57

нию. Поэтому различают два коэффициента трения - покоя и скольжения. Коэффициент трения покоя называется статическим коэффициентом трения. Коэффициент трения скольжения называется динамическим коэффициентом трения. Коэффициент трения покоя определяется с учетом определенного угла наклона поверхности, при котором тело начинает движение [119, стр. 8].

При определении конструктивных и энергетических характеристик ряда почвообрабатывающих машин применяется коэффициент трения скольжения [297]. Величина коэффициента зависит от механического состава [236, стр. 54, 274] и влажности почвы, шероховатости рабочей поверхности, материала, используемого для изготовления рабочего органа, удельного давления на поверхности контакта и скорости скольжения.

Согласно теории И. В. Крагельского [79] коэффициент трения скольжения

ах Б _

/внеш. =а^ + Рт , (1.1.87)

где ат, Рт - параметры, зависящие от механических и молекулярных свойств поверхности трущихся тел;

Б - площадь соприкосновения, м2; N - нормальное давление, Па.

При наличии экспериментального определенного значения силы трения Е коэффициент трения определяется с помощью формулы Амонтона [227,

стр.38], предложенной в конце XVII века

г = ^. (1.1.88)

•у внеш ^^ V /

Из всего многообразия факторов, влияющих на коэффициент трения скольжения, определяющее значение все же оказывает механический состав почвы и ее влажность.

С увеличением значения содержания физической глины увеличивается и коэффициент трения скольжения. При содержании физической глины в объеме 10% коэффициент трения составляет 0,26. При содержании физи-

58

ческой глины в объеме 60% коэффициент трения составляет 0,4. Значения коэффициента трения /теш, угла трения (ртеш , определенные при давлении 20.100 Па, и скорости скольжения почвы 0,4 м/с по шлифованной стальной поверхности для некоторых типов почв даны в таблице № 1.1.8 [24].

Таблица 1.1.8 Коэффициент /енеш и угол трения Фвтш почвы о сталь

Тип почвы по механическому составу / «/ внеш ф / внеш

Песчаная и супесчаная (рыхлая) 0,25.0,35 14° .19° 3 0 '

Песчаная и супесчаная (связная) 0,50.0,70 26° 3 0 '.35°

Легко и среднесуглинистая 0,35.0,50 19° 3 0 '.26 ° 3 0'

Тяжелая суглинистая и глинистая 0,40.0,90 22 ° .42 °

Для разных почв при определенном механическом составе характерна своя тенденция изменения коэффициента трения от влажности. Так, для песчаной почвы минимальное значение коэффициента трения соответствует абсолютной влажности 5% и 15%. А максимальное значение соответствует влажности 10%. При низкой влажности частицы песчаной почвы, соприкасаясь с поверхностью, перекатываются по ней, что приводит к уменьшению коэффициента трения скольжения.

Для супесчаной почвы характерна тенденция уменьшения коэффициента трения с увеличением значений абсолютной влажности почвы. Для тяжелых суглинков и глин характерна тенденция увеличения коэффициента трения скольжения при увеличении значений абсолютной влажности почвы. Тем не менее, данное утверждение недостаточно точно [71, 145]. Все зависит от величины анализируемого интервала значений абсолютной влажности. Так, зависимость коэффициента внешнего трения от значений абсолютной влажности почвы в интервале от 10% до 60% представлена тремя участками.

На I участке (фаза сухого трения) при относительно низкой влажности почвенная влага не поступает к материалу. И коэффициент трения является величиной постоянной. На II участке (фаза прилипания) коэффициент трения резко возрастает за счет возникновения сил молекулярного притяжения между почвенной влагой и материалом. Максимальное значение коэффици-

ента трения соответствует влажности 40%. На третьем участке коэффициент трения резко снижается за счет того, что влага играет роль смазки.

В результате экспериментальных исследований установлена зависимость коэффициента внешнего трения от значений абсолютной влажности почвы из - под люцерны [226, стр.145]

/ = -0,228 + 0,0695х т- 0,0012х ш2 ± 0,04. (1.1.89)

^ внеш 5 5 5 5 V У

Шероховатость поверхности также, но в незначительной степени, влияет на значения коэффициента трения скольжения. Так, коэффициент трения для чисто шлифованной стали ниже, чем нешлифованной. В тоже время полировка поверхности почти не изменяет его значения. Наиболее низкий коэффициент трения о почву имеют некоторые новые материалы. К ним относится тефлон, фторопласт, полиэтилен, капрон.

Увеличение удельного давления на поверхности контакта вызывает уменьшение значения коэффициента трения [236], так как в результате уплотнения почвы на поверхность трения поступает свободная влага, оказывающая смазывающее действие.

Противоречивы данные о влиянии скорости скольжения на величину коэффициента трения. Но ряд ученых полагают, что изменение скорости скольжения почвы по стали в пределах 0,5 - 4 м/с не оказывает ощутимого влияния на величину коэффициента трения [236]. Для ориентировочных расчетов коэффициент трения скольжения принимают равным /кеш = 0.5, что

соответствует углу трения т = 26°30'.

^ ^ ^ 1 г внеш

Показателем величины действующих в почве сил внутреннего трения является коэффициент внутреннего трения [145, 275]. Коэффициент внутреннего трения отражает проявление молекулярных сил, электростатического притяжения между частицами, кристаллизационных связей. А рабочий орган почвообрабатывающего орудия проектируется для конкретного состояния почвы, определяемого ее углом внутреннего трения [10, 145]. Внутреннее трение, то есть трение между частицами, позволяет определить зону воздействия на почву рабочего органа почвообрабатывающего орудия [67].

60

В таблице 1. 1.9 приведены значения коэффициента внутреннего трения и значения абсолютной влажности суглинистой почвы. Отмечается тенденция уменьшения угла внутреннего трения с увеличение значения абсолютной влажности. В интервале от 15.20% значений абсолютной влажности величина является постоянной. Также и в интервале от 25.30% величина абсо-

лютной влажности является величиной постоянной.

Таблица 1.1.9

_Коэффициент внутреннего трения среднесуглинистой почвы_

Абсолютная влажность, Коэффициент внутрен- Угол внутреннего тре-

% него трения ния

3,6 0,60 30,97

6,5 0,64 28,38

7,8 0,47 25,19

15,4 0,40 21,82

20,3 0,40 21,82

25,4 0,33 18,27

30,2 0,33 18,27

В таблице 1.1.10 представлены значения коэффициента и угла внутреннего тре-

ния темно - каштановой тяжелосуглинистой почвы от абсолютной влажности почвы.

Таблица 1.1.10

Коэффициент трения тяжелосуглинистой почвы

Влажность, % Коэффициент внутреннего трения Угол внутреннего трения, град

8,5 3,2 72,68

10,2 1,6 58,02

12,9 0,73 36,15

17,7 0,73 36,15

20,9 0,40 21,81

26,0 0,33 18,27

На основании изложенного материала, можно сделать следующий вы-

вод. Угол внутреннего трения уменьшается с увеличением абсолютной влажности. Доказано, что коэффициент внутреннего трения уменьшается ступенчатого. Коэффициент внутреннего трения изменяется от 3,2 до 0,33.

Твердость является одной из существенных характеристик механических свойств почвы [261], обязательное определение которой при испытаниях плугов, культиваторов и других машин предусматривается соответствующими ГОСТами.

Существуют различные формулировки твердости почвы. Твердость - свойство почвы в естественном положении сопротивляться сжатию и расклиниванию. В тоже время, твердость почвы - это сопротивление проникновению в нее деформато-ра. В качестве деформатора может быть использован конус, шар, цилиндр [302].

Твердость почвы определяется следующими факторами: количеством частиц в единице объема; пространственным распределением частиц; влажностью почвы; распределением влаги в объеме почвы; связями между частицами; распределением связей. Чем больше количество частиц в единице объеме, тем больше частиц вступает в контакт с деформатором, тем меньше усилия приходится на частицу.

Связь между частицами формируется силами взаимного притяжения, минеральными и органическими частицами, минеральными частицами и частицами окисей, органическими частицами и частицами окисей. Большее количество точек контакта частиц увеличивает связь между ними.

Основным показателем, от которого зависят показатели, представляющие почву как объект обработки, динамические и деформационные параметры, является влажность. Вода, заполняющая поры почвы, состоит из раствора различных солей. Она может находиться в твердом (в виде льда в мерзлой почве), жидком и парообразном состоянии. По характеру взаимодействия со скелетом грунта вода подразделяется на свободную и связанную. Свободная поровая вода по физическим свойствам не отличается от обычной и подчиняется основным законам гидростатики. Связанная поровая вода в результате физико - химического взаимодействия молекул воды с поверхностью глинистых частиц отличается по некоторым физическим свойствам от свободной воды.

Различают два вида свободной воды: гравитационную воду [8] и капиллярную. Вода, передвигающаяся под действием силы тяжести, называется гравитационной. В порах крупнообломочных грунтов и крупнозернистых песков всю по-ровую воду обычно считают гравитационной.

Взаимодействие воды с частицами, передвижение почвенной влаги и ее усвоение растениями в почвах, различных по механическому составу, структуре, порозности, происходит неодинаково [311]. Существуют определенные

значения влажности почвы, при достижении которых резко меняются как свойства почвенной влаги, так и ее доступность для растений. Свободная вода, поступившая в почву, изменяет свой энергетический уровень под влиянием во-доудерживающий сил почвы. К водоудерживающим силам почвы относят менис-ково - пленочные, осмотические, адсорбционные силы [24, стр. 72].

Абсолютная влажность, характеризующая общее содержание влаги в почве, равна [39]

т

с = т х100%, (1.1.90)

т

асп

где с - абсолютная влажность почвы, %; т - количество воды в образце почвы, г; т - масса абсолютно сухой почвы, г.

асп ^ 7

Относительная влажность дает представление о степени насыщения почвы влагой и позволят сравнить влажности почв, отличающихся по величине влагоемкости.

Относительную влажность почвы определяют по формуле

сх 100% /1кт с =-, (1.1.91)

отн 5 V /

отн

с

опв

где с - общая влагоемкость почвы.

овп

Относительная влажность почвы характеризует степень смоченности почвы.

Влажность почвы существенно влияет как на расход энергии при обработке почвы, так и на качество производимой работы. При вспашке пересохших (воздушно - сухих) суглинистых и глинистых почв, не имеющих водопрочной структуры, происходит образование крупных глыб, диаметр которых часто достигает 0,5м. В этих условиях работы тяговое сопротивление плуга максимально. Измельчить глыбы, образующие при вспашке пересохшей почвы, невозможно ни катками, ни боронами. Они могут быть полностью ликвидированы лишь в результате осеннего увлажнения почвы и последующего промерзания, оттаивания и своевременного весеннего боронования почвы.

Отрицательные результаты дает и вспашка переувлажненных связных почв, относительная влажность которых более 80%. При обработке бесструк-

63

турных почв пласт, сохраняя форму сплошной ленты, остается слабо взрыхленным, его поверхность после оборота блестит, так как отвал "заиливает" пласт. После просыхания почвы такая пашня непригодная для посева.

1.2 Цель и задачи исследований

К основным физико - технологическим показателям, описывающим процесс взаимодействия почвообрабатывающего рабочего органа с пластом, можно отнести те параметры, которые отражают саму почву как объект обработки, ее деформаци-онность и динамичность нагружения.

К таким параметрам относится модуль упругости первого рода, коэффициент динамической вязкости, коэффициент сопротивления деформации, упругая составляющая относительной деформации сжатия, величина удельной потенциальной энергии разрушения почвенной частицы, коэффициент Пуассона, углы внешнего и внутреннего трения, предел прочности почвы на сжатие и растяжение.

Физико - технологические показатели почвы зависят от ее гранулометрического состава, абсолютной влажности, скорости нагружения, задернения. При определенном гранулометрическом составе все же определяющим фактором является абсолютная влажность почвы. Данные параметры для суглинистых почв Брянской области изучены слабо, экспериментальных данных имеется немного, причем эти данные, вследствие различия в методах определения, варьируют в больших интервалах, противоречивы и требуют уточнения.

Модернизация почвообрабатывающих рабочих органов осуществляется в направлении снижения энергоемкости, повышения надежности, расширения функциональных возможностей за счет совмещения технологических операций. Сиже-ние энергоемкости почвообрабатывающих рабочих органов возможно за счет их колебания, уменьшения сил трения при контакте с почвой, создания сети опережающих трещин или за счет сложного характера нагружения. К наиболее перспективному направлению снижения энергоемкости следует считать создание поверхностью деформатора сложного характера нагружения.

На суглинистых почвах почвообрабатывающие рабочие органы функциони-руеют в совместном режиме скалывания и излома пласта, где определяющую роль

оказывает лезвие режущей кромки. Трансформация лезвия режущей кромки обеспечивает разрушение почвы за счет напряжений смятия и растяжения, что приводит к снижению энергоемкости обработки в целом.

Угол трансформации, в частности для почвообрабатывающих рабочих органов строгающего типа, должен быть увязан с упругой составляющей относительной деформации графика сжатия. При этом работа лезвия почвообрабатывающих рабочих органов будет проходить в пределах упругих деформаций, что минимизирует возможное разрушение почвенных частиц и залипание режущей кромки почвообрабатывающих орудий.

При проектировании долотообразных лап и дисковых рабочих органов повышение технологической надежности заключается в обеспечении устойчивого скольжения пласта при его подъеме на почвах с различным гранулометрическим составом и влажностью. Коэффициент кривой, описывающей переднюю поверхность долотообразной лапы, должен быть определен с учетом глубины хода и вылета носка. Коэффициент кривой, описывающей поверхность сферического диска, должен учитывать в частности глубину хода рабочего органа и возможный угол атаки.

Большинсто теоретических моделей, описывающих взаимодействие дефор-матора с почвой, не учитывает возможность работы лезвийной части почвообрабатывающих рабочих органов в сложном характере нагружения. Почва представлена частными показателями, а не реологической моделью. Режимы скалывания и излома пласта разделены. Затруднего определение величины тягового сопротивления от значений абсолютной влажности суглинистой почвы.

Работая в режиме излома пласта при определяющей роли нормальных напряжений, по ходу движения лезвия лемеха формируется вовлекаемый в деформацию за счет волн напряжений объем почвенного массива. С учетом использования реологической модели Фойгта тяговое сопротивление почвообрабатывающих рабочих органов строгающего типа должно оцениваться модулем упругости первого рода, коэффициентом динамической вязкости, углами внешнего и внутреннего трения. Значение удельной потенциальной энергии разрушения почвенных частиц также

позволит определить тяговое сопротивление поверхности лемеха с учетом угла резания, угла между лезвием и стенкой борозды.

Прогнозирование крошения поверхностного слоя при работе почвообрабатывающих рабочих органов должно учитывать с одной стороны удельную потенциальную энергию, накопленную в отдельном почвенном фрагменте, с другой стороны - вероятностный характер разрушения частиц. Прогнозирование степени крошения пласта при работе почвообрабатывающего рабочего органа возможно при использовании метода конечных элементов. Почва, как объект обработки, может быть представлена модулем упругости первого рода и коэффициентом Пуассона. Рассчитанная величина удельной потенциальной энергии в каждом элементарном фрагмента должна быть сопоставима с экспериментальной величиной в виду случайности процесса разрушения почвенных частиц.

Целью диссертационной работы является создание почвообрабатывающих рабочих органов, обеспечивающих при работе на суглинистых почвах снижение энергоемкости и повышение качества технологического процесса.

Реализация данной цели потребовало решение ряда задач, отражающих логику исследования:

- определить зависимость физико - технологических свойств суглинистой почвы от величины абсолютной влажности;

- обосновать геометрические параметры почвообрабатывающих рабочих органов со сложной геометрической поверхностью при совместном режиме скалывания, излома пласта и устойчивого скольжения почвы;

- разработать методики определения горизонтальной составляющей тягового сопротивления почвообрабатывающих рабочих органов;

- провести экспериментальные полевые исследования разрабатываемых рабочих органов с целью получения энергетических характеристик и показателей качества обработки суглинистой почвы;

- разработать методику расчета крошения суглинистой почвы;

- доказать экономическую эффективность использования разрабатываемых почвообрабатывающих рабочих органов на суглинистых почвах.

2. МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО -ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

СУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ 2.1 Угол внешнего трения

Для определения зависимости коэффициента внешнего трения суглинистой почвы от значений абсолютной влажности использовалась установка ТММ - 32А №556 (рис. 2.1.1) и измеритель деформаций ИТЦ - 03 [291].

Рис. 2.1.1. Установка ТММ - 32А

Данная установка включает основную раму и подвижную плиту [248]. На основной раме консольно закреплена пластина с прямоугольным сечением с наклеенными тензодатчиками. С левой стороны основной рамы размещен электродвигатель переменного тока, который гибким приводом связан с подвижной плитой. Почвенный образец диаметром d = 50 мм и высотой Н = 50 мм помещался в пластмассовый колпачок, который был связан капроновой нитью с тензопластиной. Опыт осуществлялся в пятикратной повтор-ности. Скорость движения была постоянной.

Для того чтобы определить усилие на перемещение почвенного образца было получено выражение, с одной стороны, учитывающее показания измерителя деформаций, с другой стороны, геометрические параметры пластины (рис. 2.1.2) и модуль упругости первого рода.

Относительная деформация равна

£ = кл хД , (2.1.1)

цдп и 5 V У

где к^ - цена деления прибора ИТЦ - 03;

Лм - разница измерений до и после нагружения. ////////////У

Рис. 2.1.2. Тензопластина При известной величине относительной деформации величина нормальных напряжений

<у = £х Е. (2.1.2)

С учетом выражения (2.1.1) величина нормальных напряжений

а = к х Л х Е.

В тоже время

а =

М

(2.1.3)

(2.1.4)

где М - изгибающий момент в сечении тензопластины, ;

Ж - момент сопротивления сечения тензопластины, м 3.

но г 7

Величина изгибающего момента

3

М = - х Р х I ,

^ уп т '

где р - величина усилия на перемещение, Н; I - длина тензопластины, м.

(2.1.5)

Момент сопротивления сечения тензопластины

Ж = . (2.1.6)

но У- V У

6

С учетом выражений (2.1.5) и (2.1.6) выражение (2.1.4) принимает вид

9 х Р х I

сг =-^—. (2.1.7)

2 х Ь х к2

При равенстве выражения (2.1.3) и выражения (2.1.7) усилие перемещения почвенного образца

2 х Ь х к2 х к хДх Е (2 18)

^ " 9х1 '

Коэффициент трения

Р

I =—, (2.1.9)

внеш ' V /

по

где Опо - вес почвенного образца, Н.

Был сконструирован и изготовлен пробоотборник (рис. 2.1.3), где в качестве ножа [256] использовался разрезанный надвое цилиндр из нержавеющей стали. Кольцевой нож обеспечивает беспрепятственное освобождение извлеченного из поверхностного слоя почвенного образца (рис. 2.1.4).

Рис. 2.1.3. Пробоотборник

Пробоотборник включает нижние 1 и верхнее 2 основания, связанные между собой стойками 3. В нижнем основании 1 вмонтирована втулка для

обеспечения радиальной устойчивости разрезанного надвое цилиндрического ножа 4. Заглубление ножа осуществляется с помощью винтового домкрата 5, усилие которого передаётся на рабочий орган с помощью шайбы 6. Сделанная в шайбе 6 концентрическая проточка также обеспечивает устойчивость ножа в радиальной плоскости.

Рис. 2.1.4. Почвенный образец

Почвенные образцы извлекались с помощью пробоотборника из междурядья сада УОХ «Кокино» Выгоничского района Брянской области. Фон - серая лесная. Мехсостав - суглинистая. По результатам исследований была получена следующая графическая зависимость угла внешнего трения от влажности и уравнение регрессии при коэффициенте достоверности аппроксимации Я2 = 0,95 [248].

Абсолютная влажность, а), % Рис. 2.1.5. Зависимость угла внешнего трения суглинистой почвы

от значений абсолютной влажности 70

р = 3,581х с - 0,094х с2 - 2,935. (2.1.10)

т внеш 5 5 5 V у

Угол внешнего трения почвы в зависимости от значения абсолютной влажности в диапазоне 10.23% изменяется по параболической зависимости. Максимальное значение угол внешнего трения принимает при абсолютной влажности 18%. Последующее увеличение до 23% приводит к снижению данного показателя. Для суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, угол внешнего трения составил 30.29 °.

2.2 Угол внутреннего трения

К одному из прямых методов определения угла внутреннего трения почвы относят неконсолидированное - недренированное испытание по траектории сжатия почвенных образцов в стабилометре (рис. 2.2.1, 2.2.2).

Рис. 2.2.1. Блок управления стабилометром

Использовать стабилометр можно для определения как угла внутреннего трения, так и удельного сцепления, сопротивления недренированному сдвигу, модулей деформации, коэффициента поперечной деформации.

Образцы могут испытываться как в условиях статического, так и кинематического нагружения. Кинематическое нагружение осуществляется непрерывно с заданной скоростью.

Рис. 2.2.2. Камера сжатия стабилометра

Нагружение осуществляется при условии а1>а2=а3. В данном случае - наибольшее главное напряжение, а2 - промежуточное главное напряжение, а3 - наименьшее главное напряжение. Диаметр образца составляет 50 мм. Высота образца должны быть в 2 и более раза превышать диаметр. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения. Испытание проводят по схеме: неконсолидированное - недренированнное.

При проведении испытаний в стабилометре измеряются четыре величины: осевая нагрузка, радиальная деформация, боковое давление, поровое давление.

При неконсолидированно - недренированных испытаниях стандарт ВS 1377 рекомендует, чтобы скорость осевой деформации вызывала разрушение образца за период 5 -17 мин.

Угол внутреннего трения суглинистой почвы исследовался при изменении абсолютной влажности от 10% до 23%. По результатам исследований была получена графическая зависимость (рис. 2.2.3) угла внутреннего трения от величины абсолютной влажности и уравнение регрессии при коэффициенте достоверности аппроксимации Я2 = 0,95.

Абсолютная влажность, со, %

Рис. 2.2.3. Зависимость угла внутреннего трения суглинистой почвы от значений абсолютной влажности

^внутр = 78,444 - 3,635 + 0,06 X (2.2.1)

Угол внутреннего трения суглинистой почвы в интервале значений абсолютной влажности 10%...23% составляет 48° ... 28°. Отмечается тенденция уменьшения исследуемого параметра с увеличением значения абсолютной влажности. Угол внутреннего трения суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости в интервале 16%.. .23%, составил 34.28 °.

2.3 Предел прочности на растяжение

С целью определения предела прочности на растяжение суглинистой почвы в качестве базового метода исследований применялся метод одноосного растяжения скальных грунтов, как наиболее надежный [36].

Предел прочности почвы на растяжение в данном случае определяется по следующему выражению

р

ар= 7,5 х-^ х К, Р Р

(2.3.1)

где Р - разрушающая сила, Н;

К - безразмерный коэффициент;

Г- 2

Рпр - площадь поверхности разрушения, см .

Безразмерный коэффициент и площадь поверхности разрушения представлены в таблице 2.3.1. Сущность данного метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу с помощью стальных, встречно направленных сферических инденторов. Размеры образцов и места их нагруже-ния должны быть такими, чтобы площадь поверхности разрыва (раскола) была не меньше 3 см2 и не больше 100 см2. Расстояние между точками приложения нагрузки должно быть не менее 10 мм. Количество образцов правильной формы должно быть не менее 6.

Таблица 2.3.1

Площадь поверхности разрушения, коэффициент

Р , см2 пр 5 К

3 0,67

4 0,72

5 0,76

8 0,85

10 0,9

15 1,00

20 1,08

30 1,19

35 1,24

40 1,28

45 1,32

50 1,35

80 1,52

100 1,6

В качестве испытательной машины использована разрывная установка Р 0,5 со встречно направленными инденторами. На верхнем инденторе раз-

мещено тензометрическое кольцо (рис. 2.3.1). При использовании измерителя деформаций ИТЦ - 03 цена деления составила 0,01Н.

Рис. 2.3.1. Разрушение почвенного образца инденторами Фон почвы - серая лесная, мехсостав - суглинистая. Были получены следующие результаты (рис. 2.3.2) [265].

ев

С

^

а/ К X <и

£ о ев

ев X

3 и

ЕТ О С

к н о о X ЕГ О

С

4

и «

и

С

Абсолютная влажность, со, %

Рис. 2.3.2. Зависимость предела прочности суглинистой почвы на растяжение

от абсолютной влажности Получено следующее уравнение регрессии при коэффициенте досто-

верности аппроксимации Я2 = 0,95

С =-113,12 + 907,013 хю-32,29 ха)\ (2.3.1)

Абсолютная влажность суглинистой почвы находилась в пределах 9 - 23%. При влажности 14% предел прочности почвы на растяжение принимает максимальное значение. Последующее увеличение или уменьшение значения абсолютной влажности приводит к уменьшению значений исследуемого показателя.

Абсолютная влажность суглинистой почвы в пределах 14% является тем пороговым значением, которому соответствует максимальная упругость межагрегатных связей частиц. В интервале физической спелости суглинистой почвы предел прочности на растяжение равен 6,13 . 3,67 кПа.

2.4 Предел прочности на сжатие. Упругая составляющая относительной деформации сжатия

Для испытаний использовались почвенные образы ненарушенной структуры, обладающие достаточным сцеплением, диаметр и высота которых были равны 0,05 м. Для деформации образца с постоянной скоростью нагружения применяли разрывную машину РМ - 0,5 (рис. 2.4.1). Образец нагружался до характерных проявлений линий излома, при которых почва начинает крошиться.

Рис. 2.4.1. Разрывная машина РМ - 0,5 При одноосном нагружении получали зависимость напряжения величины относительной деформации. Упругая составляющая б

лась на основе анализа графика с-е (рис. 2.4.2).

сжатия от определя-

С

Рис. 2.4.2. График сжатия с-е Уравнение регрессии предела прочности суглинистой почвы на сжатие от значений абсолютной влажности при при коэффициенте достоверности аппроксимации Я2 = 0,95 [250]

=-0,0003 ха2 + 0,0015 ха + 0,252. (2.4.1)

Для суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, предел прочности на сжатие составляет 199,2.127,8кПа.

График зависимости упругой составляющей относительной деформации от

5,00-

4,00-

3,00-

2,00-

«

о

X

л

ч

и

н хо

К о4

о , ^

о ьо

X н о й" К н

ч Й

й * о

2 К

ч К

ч дц

и Й

й н о

о О

о -е-

5 и ч

и

с

>

1,00

5,00

10,00 15,00 20,00

Абсолютная влажность, со, %

25,00

Рис. 2.4.3. Зависимость упругой составляющей относительной деформации суглинистой почвы при сжатии Уравнение регрессии при коэффициенте достоверности аппроксимации Я2 = 0,895 представлено ниже

е =-0,011 х®2 + 0,545 ха- 2,573

(2.4.2)

Для суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, упругая составляющая относительной деформации сжатия равна 3,33...4,14%.

2.5 Модуль упругости первого рода

Края почвенного образца, взятого с помощью пробоотборника (рис. 2.1.3), аккуратно выравнивали ножом и фиксировали в устройстве для определения технической частоты колебаний двумя болтами (рис. 2.5.1, 2.5.2).

Установка [257, 258] для определения технической частоты колебаний включает металлическую подставку 1, шпильки 2, верхнюю пластину 5. Две шпильки 2, которые служат направляющими для верхней пластины 5, ввернуты в металлическую подставку 1. На верхней пластине 5 размещена катушка 6. Подготовленный почвенный образец 4 фиксируется в кольце 3, которое в свою очередь закреплено неподвижно на металлической подставке 1. На верхнем крае почвенного образца размещено опорное кольцо (на рисунке не показано), на котором расположен постоянный магнит 7. Постоян-

Рис. 2.5.2. Фиксация почвенного образца

Подключаем устройство для определения технической частоты колебаний к АЦП и к ноутбуку (рис. 2.5.3).

Рис. 2.5.3. Система измерений технической частоты в сборе

Для обработки и регистрации колебаний была разработана блок - схема программы в среде графического программирования Labview (рис. 2.5.4).

Рис. 2.5.4. Блок - схема программы измерений При импульсном нагружении почвенный образец первоначально сжимается и, в дальнейшем, совершает колебания, приводящие к созданию ЭДС в катушке 6. Этот сигнал регистрируется АЦП и выводится на экран компьютера, где на лицевой панели отображается кривая колебаний верхнего торца и выводится график соответствия амплитуды и частоты (рис. 2.5.5).

Рис. 2.5.5. К определению технической частоты колебаний

Определив частоту /, по выражению (1.1.68) определяем модуль упругости первого рода

^ 4 хл2 х (2 х 12 ху

Т^ _ _£_/ ов

= * х я ■

При проведении испытаний определялась твердость и влажность почвы. Фон - серая лесная, мехсостав - суглинок. Взятие проб сопровождалось определением значений абсолютной влажности почвы. Исследование образцов проводилось при следующем условии: I > 2,5d.

Было получено уравнение регрессии при коэффициенте достоверности аппроксимации Я2 = 0,95

Е = -47998х со2 + 1520917х со - 7734389 (2.5.1)

Для суглинистой почвы в диапазоне абсолютной влажности 10% - 23% величина модуля упругости изменяется по параболической зависимости. Макимальное значение соответствует абсолютной влажности 15%. Последующее изменение данного показателя приводит к уменьшению исследуемой величины. При абсолютной влажности 23% величина модуля упругости составит 1,86 МПа. При абсолютной влажности 10% величина модуля упругости будет равна 2 МПА. Для суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, модуль упругости первого рода равен 4,3.1,9 МПа.

2.6 Коэффициент динамической вязкости

Чрезвычайно большой разброс экспериментальных данных значений вязкости требует уточнения зависимости коэффициента динамической вязкости от абсолютной влажности с учетом гранулометрического состава, в частности для суглинистой почвы.

Для проведения исследований использовалась установка Цытовича-Файнциммера (рис. 2.6.1).

Рис. 2.6.1. Установка для определения коэффициента динамической вязкости Были использованы следующие фрагменты методики. Масса подвешиваемого груза должна быть такой, чтобы погружение шарика индикатора за 30 с составило 0,5йш. Кольцо с почвой перемещалось таким образом, чтобы центр следующего погружения находился на расстоянии 3йш от центра предыдущего погружения. Динамический коэффициент вязкости почвы определялся по формуле Стокса

Л

й2

18К

х(Гф + 0,15у),

(2.6.1)