Рабочие органы для подрезания и подъёма почвы почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины

Введение. Проблемы снижения негативного влияния способов механизированной обработки почвы и затрат энергии на ее проведение возникли в первой половине прошлого столетия и являются актуальными по мере увеличения интенсификации производства и массы сельскохозяйственной техники. Современные мировые тенденции на получение экологически чистой продукции требуют хотя бы частичного отказа от химических средств борьбы с сорными растениями. Рабочие органы почвообрабатывающих машин не обеспечивают рационального воздействия на почву с точки зрения агрономической науки и эколого-экономических требований. Поэтому для усовершенствования процессов обработки почвы необходим комплексный подход к вопросам уменьшения разрушения рабочими органами машин и орудий структуры почвы и разработки технологических процессов, обеспечивающих оптимизацию ее агрофизических свойств и совершенствование технологий выращивания сельскохозяйственных культур с целью снижения затрат энергии на единицу полученной продукции. Поверхностная обработка почвы проводится с целью крошения пласта ее верхнего слоя, измельчения пожнивных остатков, уничтожения сорных растений и выравнивания поверхности поля [1, 2].

В почве при обработке традиционными почвообрабатывающими орудиями и машинами развивается сложное напряженное состояние от совместного действия деформаций сжатия, растяжения и сдвига. При этом превалирующи- ми являются деформация сжатия и сдвига. Поскольку почвы относятся к анизотропным материалам с прочностью при растяжении значительно меньшей, чем прочность при сжатии, целесообразно применять рабочие органы, отрывающие почву от массива.

Секция почвообрабатывающей рыхли-тельно-сепарирующей машины, оснащенная плоскими свободновращающимися дисковыми рабочими органами [3, 4], была предложена в качестве альтернативы существующим конструкциям с целью повышения эффективности технологического процесса движения почвы по лемеху при одновременном снижении удельной энергоемкости процесса.

Исследованием процессов взаимодействия рабочих органов с почвой занимались многие ученые: В.П. Горячкин, П.М. Василенко, Т.М. Синеоков, В.И. Ветохин, Ф.М. Конарев, В.Ф. Пащенко и др.

На основании проведенных исследований [5–10] разработаны пути совершенствования технологических процессов обработки почвы, снижения энергоемкости и сохранения её плодородия.

В.Ф. Пащенко в своих исследованиях обосновал профили почвообрабатывающих рабочих органов машины для создания рациональных агрофизических свойств почвы. Было получено уравнение для определения рационального угла подъема почвы в зависимости от ее свойств, которые определяются углом трения почвы о металл [10].

Как следует из обзора работ, в силу отсутствия общей теории взаимодействия пассивных дисковых рабочих органов с почвой, многие вопросы, связанные с их функционированием, не получили должного решения.

Цель статьи – провести анализ процесса взаимодействия плоского диска с почвой, перемещающейся по лемеху, определить расстояние между направляющими параллельно расположенными пассивными дисками, при котором подъем пласта почвы лемехом осуществляется без заклинивания между ними.

Материалы и методы. При движении машины [3] плоские свободновращающиеся диски способствуют отрыву почвы, поджатой между ними, от массива, и далее движению ее по лемеху. Одновременно стрельчатая лапа обеспечивает их заглубление, подъем слоя почвы, которая поднимаясь, частично крошится, образуя почвенное ядро перед лемехом, и движется, попадая на сепарирующую решетку. Также направляющие диски ограничивают сгру-живание почвы с лемеха на стороны.

1 – направляющий плоский диск; 2 – лемех; 3 – стойка; 4 – роторный рабочий орган;

5 – сепарирующая решетка; 6 – рама; 7 – кронштейн Рисунок 1 – Принципиальная схема машины

Полагаем, что боковая поверхность дис- щает их. В таком случае уравнения движения ков взаимодействует с перемещающимися под частицы относительно диска имеют вид: действием лемеха частицами почвы и не сме- х = (Acosa. -u/jcos^yt z. = (Acosa. - p/^sinwt ■ где Ri – расстояние от оси вращения диска до рассматриваемой i-ой точки;

α i – угол, характеризующий расположение частицы на глубине, h ;

п – проекция относительной скорости движения почвы по лемеху на направление движения машины;

t – время движения;

t – угол поворота дисков.

Направление силы трения частицы почвы о диск совпадает с вектором ее относительной скорости, действующей по касательной к траектории движения. Последнее описывается урав-

(Asina + zn)sin

(A. sina +zn)cos®t, где xk, zk – текущие координаты касательной линии;

A_x = z;       B_Y= xc;      C1 = z.x- zx.

Тогда

A      R cos      t z cos t+

1i   iпп

+ R sin z        sin t;

B      R sin z       cos t

R cos       t z sin t;

C     R cos      t²R sin z²

Rsin  +zcos .

Полярное расстояние момента силы трения частицы почвы относительно оси вращения диска

находится по формуле [9]

lп

2   _B2

С1

После подстановок и преобразований получим:

l       R cos      t + R sin z R sin z cos     /

/     R cos       t z²R sin z        ²²

Для получения уравнения граничной линии, разделяющей зоны трения, приравняем lп к нулю. Если отсчет времени начнем с момента попадания частицы почвы на граничную линию, то уравнение (1) преобразуется к виду

R_i    ¹_пsin _i   z_пcos _i , (2)

co где ω – угловая скорость плоского диска;

Схема разделения зон трения на боковой поверхности плоского диска, полученная на основании уравнения (2), показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема разделения зон трения на поверхности плоского диска

Анализ изменения направления действия сил трения диска на движущуюся по лемеху почву показывает, что более благоприятной является зона вне граничной линии. В этой зоне угол между вектором скорости движения почвы и направлением действия на нее сил трения дисков наименьший, что создает наиболее бла- гоприятные условия для снижения сгруживания почвы на лемехе. Поэтому параметры и режим работы устройства для подъема почвы должны подбираться из условий получения наименьшей площади зоны, в которой силы трения способствуют вращению дисков. При таких условиях на основании уравнения (2) получим:

п,

Rh где h – глубина хода дисков.

Вертикальное смещение почвы под воздействием лемеха зависит от его геометриче- ской формы, которую рассмотрим в виде полинома n-го порядка:

z_n = k₀+ kx + k^x²+^+ k_nxⁿ, где k,,k – коэффициенты, определяющие геометрический профиль лемеха.

При установившемся движении почвы по лемеху будем полагать, что x_пt,тогда

Продифференцировав уравнение по времени с учетом принятой ранее системы отсчета (t = 0), получим z_пk_{1 п}, где k₁– тангенс угла наклона касательной к кривой, описывающей профиль лемеха.

В таком случае уравнение (2) можно за- писать в виде

Rsin kcos ,   (3)

i                                 i1               i где         R – кинематический параметр

м вращения дисков;

п

– соотношение между постум пательной скоростью почвы и рабочих органов машины.

Анализ уравнения (3) с точки зрения влияния сил трения направляющих дисков на почву показывает, что условия движения почвы улучшаются с уменьшением радиуса дисков и угла наклона лемеха, а также с увеличением кинематического параметра вращения дисков и сгруживания почвы на лемехе.

На рисунке 3 приведены зависимости сгруживания почвы на лемехе от радиуса дисков, кинематического параметра их вращения и угла постановки лемеха. Из рисунка 3 видно, что увеличение радиуса дисков с 0,175 до 0,270 м приводит к повышению толщины слоя почвы на лемехе не более чем на 17%. С увеличением кинематического параметра вращения дисков от 0 до 0,6 сгруживание почвы на лемехе снижается в 2,73 раза, с 0,6 до 1,0 – в 1,25 раза и с 1,0 до 1,2 – в 1,04 раза.

Рисунок 3 – Влияние радиуса дисков, кинематического параметра их вращения и угла постановки лемеха на величину сгруживания на нем почвы

Для проведения экспериментов по определению расстояния между направляющими дисками была использована почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая установка с применением пассивных дисковых рабочих органов, выполняющая процесс обработки посевного слоя почвы (рисунок 4).

Расстояние, при котором начинается процесс подъёма почвы дисками, назовём предельным.

Исследования по определению влияния влажности почвы и глубины хода дисков на величину предельного расстояния между ними проводились в полевых условиях с помощью одной секции установки (рисунок 5), имеющей возможность изменения расстояния между дисками.

Влажность почвы определялась методом термической сушки в пятикратной повторности. Образцы почвы массой 0,03–0,04 кг укладывались в алюминиевые стаканчики, взвешивались и сушились в шкафу при температуре 105° С в течение восьми часов. После сушки образцы почвы снова взвешивались и влажность почвы определялась по формуле

Wa = m^m ,ю0%, mс где mв, mс – соответственно масса влажной и сухой почвы, кг.

Рисунок 4 – Почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая установка с применением пассивных дисковых рабочих органов

Рисунок 5 – Секция установки, имеющей возможность изменения расстояния между дисками

По результатам эксперимента построен график зависимости предельного расстояния между дисками от влажности почвы и глубины их хода (рисунок 6). Видно, что с увеличением влажности почвы и глубины хода дисков предельное расстояние между ними возрастает по кривой второго порядка. Дисперсионный анализ полученных данных показал, что наибольшее влияние на предельное расстояние между дисками имеет влажность почвы – 72,1%, влияние глубины их хода составляет 19,9% и парное их взаимодействие – 7,7%. При этом среднеквадратичная ошибка опыта равнялась 0,0014 м и достоверность опыта – 99%.

Рисунок 6 – Зависимость предельного расстояния между дисками от влажности почвы и глубины их хода

Вывод. Расстояние между направляющими пассивными дисками, при котором подъем пласта почвы лемехом осуществляется без заклинивания между ними, в основном определяется влажностью почвы и глубиной их хода. Анализ процесса взаимодействия плоского диска с почвой, перемещающейся по лемеху, показывает, что с увеличением кинематического параметра вращения дисков и с уменьшением их радиуса условия для перемещения почвы по лемеху улучшаются.