автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Механико-технологические основы работы шестиугольных дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий

На правах рукописи

КОБЯКОВ ИВАН ДЕМИДОВИЧ

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ШЕСТИУГОЛЬНЫХ ДИСКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

2 9 НОЯ 2012

Новосибирск - 2012

005056047

005056047

Работа выполнена на кафедре «Агроинженерии» ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина»

Научный консультант — Нестяк Вячеслав Степанович, доктор технических

наук, старший научный сотрудник

Официальные оппоненты: Докин Борис Дмитриевич, заслуженный деятель

науки РФ, доктор технических наук, профессор; ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, зав. лабораторией

Рахимов Раис Саитгалеевич, доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВПО Челябинская государственная агроинженерная академия, кафедра «Почво -обрабатывающие и посевные машины», профессор

Константинов Михаил Маерович, доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет, кафедра «Механизации технологических процессов в АПК», профессор

Ведущая организация - ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства (СибНИИСХ) Россельхозакадемии

Защита состоится « 05 » декабря 2012 г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, п. Краснообск-1, а/я 460 ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии; телефон, факс (383) 348-12-09; www.sibime.sorashn.ru; e-mail: sibime@ngs.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ.

Автореферат разослан 02 ноября 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета si je^cJ-*-^*-— Нестяк B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обработка почвы является важнейшим и наиболее энергоёмким элементом практически всех технологий возделывания сельскохозяйственных культур. На неё расходуется от 30 до 40% всей энергии, потребляемой в сельском хозяйстве.

Для обработки почвы широко применяются многочисленные конструкции плугов общего назначения, плоскорезов, дисковых почвообрабатывающих орудий, работающих в условиях различного технологического воздействия на почвенно-растительную массу. Подавляющее их большинство оснащено круглыми дисковыми рабочими органами, от работы которых зависят качественные и энергетические- показатели работы указанных орудий.

Как показывает практика, унифицированная круглая форма диска не обеспечивает качественного резания растительных остатков в различных условиях их работы - почвенно-растительная масса практически не разрезается и сгруживается перед дисковыми рабочими органами. Это является основной причиной несоблюдения агротехнических требований к основной и поверхностной обработке почвы.

В результате увеличивается тяговое сопротивление почвообрабатывающих орудий, снижается производительность и качество их работы, нередко возникают отказы в работе, в том числе и полная неработоспособность орудий.

Следовательно, повышение эффективности работы почвообрабатывающих орудий, оснащенных дисковыми рабочими органами, снижение энергоемкости и повышения качества основной и поверхностной обработки почвы является важной народно-хозяйственной и научной проблемой.

Научная гипотеза. Снижение энергозатрат и повышение качества основной и поверхностной обработки почвы почвообрабатывающими орудиями, оснащенными дисковыми рабочими органами, может быть достигнуто за счет резания дисками почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии при условии надежного защемления разрезаемого материала.

Сущность научной проблемы заключается в отсутствии достаточных знаний для разработки теории резания почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии дисковыми рабочими органами почвообрабатывающих орудий.

Цель исследования - повышение эффективности работы почвообрабатывающих орудий с дисковыми рабочими органами, снижение энергоемкости и повышение качества обработки почвы за счет резания ими почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии и совершенствования конструкции диска.

Объект исследования - технологические процессы основной и поверхностной обработки почвы; технологические процессы работы дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий (на примерах плуга и лущильника).

Предмет исследования - закономерности процесса взаимодействия дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий с почвенно-растительной массой при её резании в напряженном состоянии.

Методы исследования. Теоретические основы резания почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии базируются на методах земледельческой механики; при разработке новых рабочих органов и орудий для основной и поверхностной обработки почвы применены методы классической механики; экспериментальные исследования и обработка полученных данных выполнены с использованием методов планирования, математической статистики и пакета прикладных программ на ПЭВМ; лабораторные и хозяйственные испытания проведены в соответствии с разработанными оригинальными методиками и требованиями действующих нормативных документов.

Исследования выполнены в соответствии с программой НИР ФГБОУ ВПО ОмГАУ на 2005-2010, 2010-2015 гг. по теме «Совершенствование технологических процессов зональных машин, повышение их агроэкологической эффективности» (номер государственной регистрации 01.2.00.102130), а также в соответствии с федеральными и областными целевыми программами, исполнителем которых является Министерство сельского хозяйства и продовольствия Омской области.

Научная новизна. Определены основные факторы, определяющие эффективность работы дисковых рабочих органов в различных условиях; установлено влияние формы и конструктивно-режимных параметров работы дисков на качественные и энергетические показатели работы почвообрабатывающих орудий; выявлены закономерности взаимодействия лезвия диска с почвенно-растительной массой в ненапряженном (естественном) и напряженном (растянутом) состоянии; проведена оценка энергозатрат и качества работы диска; разработана математическая модель взаимодействия лезвия шестиугольного диска с разрезаемым материалом; определена зависимость энергетики и качества работы плуга от места установки дискового шестиугольного ножа относительно рабочего корпуса плуга; получено уравнение регрессии оценки качества резания почвенно-растительной массы от угла атаки, глубины обработки и расстояния между дисками по оси дисковых батарей лущильника.

Новизна конструктивно-технологических решений рабочих органов и орудий подтверждена 18 авторскими свидетельствами, патентами и свидетельствами на полезную модель.

Практическая значимость. Резание почвенно-растительного пласта в напряженном (растянутом) состоянии позволяет снизить энергетические затраты на 28 %, повысить качество обработки почвы и, в итоге, повысить урожайность зерновых на 6... 10 %; обоснованы параметры дисков шестиугольной формы, обеспечивающие защемление и резание почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии и экономию материала при их изготовлении; разработаны орудия для основной и поверхностной обработки почвы с оборотом и без оборота пласта с дисковыми рабочими органами шестиугольной формы, обеспечивающие повышение качественных показателей и снижение энергетических затрат на основной (18-20 %) и на поверхностной (6,5-7,4 %) обработке почвы. Опубликовано 7 монографий и 3 учебных пособия для подготовки инженерно-технических кадров.

Реализация результатов исследования. Материалы исследований одобрены и рекомендованы к внедрению научно-техническими советами Управления сельского хозяйства Омской области и Главного управления сельского хозяйства администрации Омской области. Шестиугольные диски использованы в ОКБ ООО «Омскаг-

ромаш» и в СКВ ОАО «Рубцовский машиностроительный завод». Чизельные плуги-рыхлители РН-4 прошли производственную проверку в хозяйствах Омской области, приемочные испытания в ФГУ «Сибирской государственной зональной машиноиспытательной станции» и внедрены в десяти районах Омской области, в других краях и областях РФ. Разработчики плуга-рыхлителя РН-4 с экспериментальными дисками (патент № 58004) за его создание удостоены Большой золотой медали на выставке-демонстрации «День Российского поля 2007» (Ростовская область), РН-4 в 2009 г. включен в список 100 лучших товаров России. Опытные образцы орудий с шестиугольными дисками широко внедрены в Омской области: плуги и плоскорезы в 6 хозяйствах (1976...2008 гг.), лущильники в 9 хозяйствах (1998...2008 гг.). Экспериментальный двухсекционный дисковый лущильник с шестиугольными сферическими рабочими органами прошел приемочные испытания в ФГУ «Сибирская государственная зональная машиноиспытательная станция» (2007 г.) и получил положительную оценку. Материалы исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет».

На защиту выносятся:

- закономерности взаимодействия лезвия диска с почвенно-растительной массой в ненапряженном и напряженном (растянутом) состоянии в зависимости от формы лезвия дисков;

- зависимости тягового сопротивление и качества обработки почвы от места установки шестиугольных дисковых ножей на раме плуга;

- зависимости качества обработки почвы и тягового сопротивления дисков почвообрабатывающих орудий от угла атаки, глубины обработки и скорости движения агрегата;

- зависимости дальности отброса почвы дисками и структуры обработанной почвы от угла атаки, глубины обработки и скорости движения агрегата;

- математическая модель взаимодействия лезвия шестиугольного диска с разрезаемым материалом;

- приемы поверхностной и основной обработки почвы на основе резания почвенного пласта в напряжённом (растянутом) состоянии шестиугольными дисками;

- параметры шестиугольных дисковых рабочих органов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО ОмГАУ (1975 -1979, 1983, 1986 - 2009 гг.), ОмПТИ (1981 г.), НГАУ (Новосибирск, 2006 г.), региональной научно-практической конференции «Проблемы и задачи АПК Сибирского Прииртышья в преддверии нового тысячелетия» (Омск. 1999 г.), НТС СКБ завода «Алтайсельмаш» (г. Рубцовск, 1982, 1986 г.г.), расширенных заседаниях лаборатории почвообработки (1985, 1986, 2006 г.г.) и докторского методологического семинара ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии (2010,2011 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 74 печатных работах (в том числе 7 монографий, 3 учебных пособия, 18 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения и свидетельств на полезную модель), из них 22 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем публикаций 64 п. л., из них 51,8 п. л. - авторские.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 228 наименований, в том числе 11 на иностранном языке, и приложений. Работа изложена на 258 страницах машинописного текста, включает 28 таблиц, 115 рисунков, 45 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность рассматриваемой темы, её связь с программой НИР ФГБОУ ВПО ОмГАУ, с долгосрочной целевой программой Омской области и с государственной программой НИР, обоснованы народно-хозяйственные и научные проблемы. Приведены главные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены проблемы энергосбережения и качества работ при основной и поверхностной обработке почв, которым в последние годы уделяется большое внимание. Обработка почвы является одной из наиболее энергоемких операций сельскохозяйственного производства. Поэтому поиски и реализация мер по снижению энергозатрат и повышению качества обработки почвы оказывают существенное влияние на развитие конструкции дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий.

Серьезные исследования в области разработки рабочих органов почвообрабатывающих орудий были проведены ведущими научными и учебными организациями страны: ГНУ ВИМ, ГНУ СибИМЭ, ГНУ СибНИИСХ, ГНУ СКНИИМЭСХ, ГНУ СЗНИИМЭСХ, ФГБОУ ВПО ЧГАА, ФГБОУ ВПО ОрГАУ, ФГБОУ ВПО БашГАУ, ФГБОУ ВПО ОмГАУ, ФГБОУ ВПО ДГТУ, ФГБОУ ВПО АлГАУ, ФГБОУ ВПО КемСХИ, ФГБОУ ВПО ЯрГСХА, другие организации.

Значимый вклад в разработку вопросов теории резания почвенно-растительной массы и взаимодействия с ней рабочих органов (в т.ч. дисковых) внесли отечественные и зарубежные ученые: В.П. Горячкин, В.И. Виноградов, Е.М. Гутьяр, М.Л. Гу-сяцкий, В.И. Беляев, Б.Д. Докин, В.А. Желиговский, А.Н. Зеленин, A.A. Ивашко, Ф.И. Канарёв, И.Т. Ковриков, М.М. Константинов, Н.В. Краснощеков, П.Г. Кулебакин, Ф.М. Маматов, С.Г. Мударисов, В.И. Мяленко, П.С. Нартов, Е.П. Огрызков, М.Д. Подскребко, А.И. Аржаных, P.C. Рахимов, Н.Е. Резник, М.В. Сабликов, В.А. Сакун, Н.С. Секачев, Г.Н. Синеоков, O.A. Сизов, В.Ф. Стрельбицкий, Е.Д. Гордон, O.E. Джонсон, И. Куцевски, Нерло-Нерли, A.A. Стон, JI.E. Шелтон и др.

Среди основных направлений исследований в части дисковых рабочих органов можно отметить такие как оптимизация конструктивно-режимных параметров дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий и совершенствование их конструкции. Благодаря усилиям исследователей многие вопросы в этом направлении были решены. Однако не было ясных представлений о защемлении разрезаемого материала в процессе его резания дисковыми рабочими органами (в том числе и с разной формой дисков), не был решен вопрос резании почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии.

Широко распространённая серийная круглая форма диска не обеспечивает качественного резания растительных остатков - они практически не защемляются и сгруживаются перед дисковыми рабочими органами почвообрабатывающих орудий.

В результате повышается тяговое сопротивление, снижается качество их работы и производительность. Круглый плоский диск, установленный по принятым правилам перед рабочим корпусом (плуга, плоскореза), защемляется боковыми стенками прорезанной почвы, что увеличивает тяговое сопротивление. Стандартные круглые сферические диски не обеспечивают качественного защемления и разрезания почвенно-растительной массы при лущении и бороновании дисковыми орудиями.

В главе дана систематизация дисковых рабочих органов по назначению и конструктивному исполнению, проанализирован большой объём экспериментально-теоретических исследований по влиянию дисковых ножей на качественные и энергетические показатели работы почвообрабатывающих орудий.

Выдвинута рабочая гипотеза, согласно которой снижение энергозатрат и повышение качества основной и поверхностной обработки почвы почвообрабатывающими орудиями, оснащенными дисковыми рабочими органами, может быть достигнуто за счет резания дисками почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии при условии надежного защемления разрезаемого материала.

На основе анализа состояния проблемы и с учетом сформулированной гипотезы для решения цели, поставленной в работе, определены задачи исследования:

1. Выявить основные факторы, определяющие эффективность работы дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий.

2. Установить закономерности, определяющие влияние формы, конструктивных параметров и режимов работы дисковых рабочих органов на качественные и энергетические показатели обработки почвы.

3. Обосновать параметры технических средств для основной и поверхностной обработки почвы на основе резания в напряженном (растянутом) состоянии с применением шестиугольных дисковых (плоских и сферических) рабочих органов.

4. Провести эксплуатационно-технологическую оценку работы почвообрабатывающих орудий с новыми рабочими органами.

5. Определить эффективность основных результатов исследования.

Во второй главе «Механико-технологические основы работы шестиугольных дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий» установлены основные закономерности, определяющие влияние формы, конструктивных параметров и режимов работы дисковых рабочих органов на качественные и энергетические показатели обработки почвы в условиях резания почвенно-растительнои массы в ненапряжённом и напряжённом (растянутом) состояниях; определены основные параметры шестиугольных дисковых рабочих органов и обоснованы технические средства для основной и поверхностной обработки почвы с шестиугольными дисковыми рабочими органами, работающими на этом принципе резания.

Влияние формы дискового рабочего органа на защемление материала.

Угол защемления растительных остатков является важным параметром удержания почвенно-растительной массы перед рабочим органом и качества её разрезания.

В работе установлена теоретическая зависимость изменения угла защемления ф) от конструктивных параметров диска (1): радиуса описанной окружности многоугольника (К), который выбран из равенства площадей многоугольного и круглого

дисков диаметром 450 мм и числа углов в многоугольнике (и), а также технологического параметра — глубины обработки почвы (/г). Показано, что дисковые рабочие органы с формой лезвия диска от четырёхугольного до круглого с увеличением количества углов имеют разные углы защемления, которые зависят от угла поворота диска по ходу движения, глубины обработки, твердости и влажности почвы.

Д™=А„ах-аГСЛё

и-в.

л/2 Як-к

180°

1 +

1-К

Лм-к

180°

(1)

100 150

И, мм

■6-ти " круглый

Результаты вычислений представлены графиком (рис. 1). Защемление и разрезание почвенно-растительной массы будет качественным при выполнении условия Р < - величина угла защемления должна быть меньше суммы углов трения почвенно-растительной массы о почву и о дисковый рабочий орган.

Это условие для многоугольного диска выполняется в определенных пределах глубины обработки почвы:

- для четырёхугольного диска - при глубине обработки 100-250 мм, что не пригодно дли выполнения поверхностной обработки;

- для пятиугольного - при глубине обработки 60-210 мм, однако при нечетном количестве углов будут наблюдаться поперечное биение дисковой секции, вызывая неравномерность хода и ускоренный износ ножа;

- для восьми и десяти угольных - при глубине 35-140 мм;

- для круглых дисков качественное защемление будет при глубине 5-60 мм;

- для шестиугольного диска глубина обработки, при которой обеспечивается качественное защемление и разрезание почвенно-растительной массы - 50-165 мм.

Таким образом, рациональной формой многоугольного дискового рабочего органа является шестиугольник с конструктивным параметром - диаметром описанной окружности О =495 мм.

Схема резания шестиугольным диском стебля т, зажатого между лезвием ножа 7 и почвенным подпором 2, приведена на рис. 2. В зависимости от угла между лезвием и почвенным подпором появляется опасность выталкивания стебля из раствора. Между почвенным подпором и стеблем, а также стеблем и лезвием возникают силы трения соответственно = ТУ, • и = И2 ■ > гДе и N2 - нормальные реакции на стебель со стороны лезвия и подпора; ср: и (р2 — углы трения.

4-х 8-ми

угол трения мин

-5-ти "10-ти

"угол трения макс

Рис.1. Зависимость угла защемления от количества углов в многоугольнике и глубины обработки

Условия, при которых стебель при резании не выскальзывает из раствора, определяются системой уравнений:

/ ' К \

Л 1

/ / Лу г

/ * &Л /

'////////л / (7

= N3 ■ эт а - - • соэ а = О - F2 • эт а — соб а = О

(2)

ЕУ = ТУ,

Откуда, после ряда преобразований, получим

а<(рх + <р2 (3)

Условие (3) описывает защемление стеблей в растворе между лезвием и почвенным подпором. Правая часть неравенства зависит от толщины и шероховатости кромки лезвия. На углы трения р/ и <р2 оказывают вид культуры, влажность и расположение разрезаемых стеблей относительно плоскости резания. Защемление единичных стеблей зависит от кинематического параметра ножа

Д»

Рис.2. Защемление стебля лезвием

I = £».= ±2.= (0,95; 0,83), V. О

(4)

где Уо - окружная скорость ножа, м/с; ¥„ - поступательная скорость ножа, м/с; Оф - фиктивный диаметр ножа, м; £> - действительный диаметр ножа, м.

Частота вращения шестиугольных ножей выше, чем круглых ножей, на 11,3... 14,6%, что соответствует кинематическим параметрам 0,95 и 0,83 (зависимость 4) при скорости агрегата 9... 12 км/ч.

Графические исследования траектории движения лезвия шестиугольного и круглого ножей при различном расположении мгновенного центра вращения позволили определить в плоскости хода ножа зоны надежного защемления и резания, представленные в виде площадей Г/ и (рис. 3).

Исследованы траектории КК), КК2, КК3, ..., ККп движения точки К лезвия и определены в зависимости от положения мгновенного центра вращения ножа отношения а/Ь/, а/Ъ2, ..., а/Ь„, характеризующие качество защемления лезвием сельскохозяйственных материалов (/3

коэффициент защемления). Здесь а - длина лезвия подвижного ножа; Ь - поступательное перемещение ножа, на котором проведено резание одной гранью многоугольного диска.

Рис.3. Защемление растительной массы лезвием шестиугольного (о) и круглого (б) ножей; защемленная (У/, Рз' и не защемленная (Г2, части растительной массы

На основании данных исследования получена эмпирическая формула и построены графические зависимости /3 (рис. 4) от положения мгновенного центра вращения диска или, что одно и то же, фиктивного диаметра дискового ножа Оф.

/3 = 0,2468+ 32,1981/Ц.

(5)

Ф-

Как видно, с уменьшением фиктивного диаметра ^ ножа Эф коэффициент защемления /3 увеличивается - ^ повышается качество защемления ножом разрезаемых сельскохозяйственных материалов.

Рис.4. Зависимость коэффициента защемления (/з)

от фиктивного диаметра ножа (О^): 1 - И = 0,09 м; <

2 — А = 0,11 м;3-й = 0,13м

X) 56 72 8в т

По данным исследования построены графики (рис. 5), на основании которых сделан вывод, что Д и К' зависят от Я линейно и описываются зависимостями:

К £12

1,8 (А Ш

К' = 1,9785 + 0,4412 • Я,

Р = 394,1724 + 90,2941- Л, (6)

где = ; и суммарные площади

надежного защемления шестиугольного и круглого ножей.

Рис.5. Зависимость Т7/ и ^ от кинематического параметра ножа Я: 2, 6 - А = 8 см; 3, 4 - /г =10 см; 1,5-й=12см

Следовательно, при погружении режущих дисков в почву на 0,8-0,12 м эффективность защемления шестиугольного ножа в 1,8-2 раза выше, чем круглого.

Из анализа следует, что при заглублении в почву на 12 см минимальный угол защемления а = 33...42° обеспечивают шестиугольные ножи, восьмиугольные и десятиугольные - 45 и 50°, стандартный круглый диск диаметром 400 мм - 67°.

Взаимодействие лезвия дискового ножа с разрезаемым материалом. При основной обработке почвы перед рабочим корпусом почвообрабатывающего агрегата почвенный пласт растягивается, сжимается, сдвигается, изгибается и обрывается. Из этих видов деформаций наибольший интерес представляет растяжение, которое можно использовать для снижения энергетических затрат при обработке почвенного пласта, связанного корнями и корневищами.

При резании сельскохозяйственных волокнистых материалов лезвием возможны три схемы силового нагружения (рис. 6).

Предварительное сжатие материала силой Рсж вызывает на кромке ножа разрушающие контактные напряжения ар. Скорость резания зависит от величины критической силы резания прикладываемой к ножу, проникающему на глубину Ъ^.

Условие равновесия при резании в свободном состоянии (рис. 6а) имеет вид:

fv>f, + f2' + fc

+ F

сж рез

(7)

где F{= f -F, - сила трения плоскости

ножа; F{ = F2 cos а = f Qn

проекция

Рис.6. Взаимодействие ножа с разрезаемым материалом в состоянии: а - свободном; б - растянутом; в - растянутом на выпуклой опоре

силы трения фаски лезвия; F^ = 8/\аар; f = tgcp - коэффициент трения; <р - угол трения; F3 - заклинивающие силы; Qn = ^F* + F?:lr cos <р - нормальная сила, действующая на фаску ножа; 5, а - соответственно толщина и длина контактной линии лезвия ножа.

Резание волокнистых растительных материалов в прямолинейном натянутом и свободном состоянии отличается друг от друга тем, что резание волокон в первом случае осуществляется исключительно кромкой лезвия, без трения или при незначительном трении поверхностей фасок ножа о разрезаемый материал.

На рисунке 66 показано внедрение ножа в материал при растяжении. Волокна mm, пп и другие по мере их резания и под действием сил растяжения Fpacm смещаются от лезвия ножа. В этом случае угол заточки и толщина лезвия не имеют существенного значения, так как фаски лезвия не принимают участия при резании материала, а кромка лезвия постоянно находится в контакте с разрезаемым волокнистым материалом. Из рассмотренного следует, что критическая сила F^ уравновешивается только одной силой Fpe„ действующей на кромку лезвия:

КР = FP„ = Shaap (В)

J

где <7р - напряжение резания.

В практике при обработке почв, в значительной степени насыщенных корнями растений, имеет место резание растянутого материала (рис. 6в).

Выделим волокно Е,Е2, находящееся в зоне растяжения на расстоянии у от нейтральной линии Е3Е4 с радиусом кривизны г. Из подобия треугольников ЕФЕ5Е2 и ОЕ3Е4 (считаем их прямоугольными) найдем относительное удлинение волокна E2Eb/EiE4=y/r, при котором по закону Гука напряжение растяжения

cx = E-y/rt (9)

где Е - модуль упругости.

Зависимость (9) определяет эпюру напряжений, изменяющую размеры поперечного сечения разрезаемого слоя материала - уменьшает в зоне растяжения и уве-

личивает в зоне сжатия (ниже нейтральной линии). Напряжение растяжения уменьшает напряжение резания и, следовательно, силу резания (8).

Исследование движения шестиугольного и круглого дисков, погруженных в почву, позволило определить моменты их вращения, влияющие на режим работы.

При взаимодействии лезвия диска шестиугольной формы (рис. 7а) с почвенной

частицей т возникают силы N и Т. Величина нормальной составляющей N зависит от местного контакта по глубине h. Поэтому взаимодействие лезвия диска с почвой при вертикальном положении его грани можно с достаточной точностью представить распределенной нагрузкой g(h), которая описывается известной формулой

где

ф) = К^,

К - коэффициент, характеризующий физические свойства почвы; к - глубина места контакта.

(10)

O V\ / ф) сы-

l ^ a

/ШИ1 V" V. W III \ Ф

h 1

Рис.7. Схема основных сил, действующих на лезвие диска: а - шестиугольного: б - круглого

При повороте лезвия нормальная нагрузка распределяется по большей длине, т.е. формула (10) принимает вид

a(A,) = Ky]h¡ cos(90° - а,),

(И)

где h¡ - расстояние от точки C¡ до места контакта на лезвии.

В процессе исследования определены моменты нормальных реакций и моменты сил трения на лезвии относительно оси диска, а также их суммарный момент в основных положениях кромок шестиугольного диска (рис. 8).

Момент нормальных реакций относительно оси диска при его входе в почву (рис. 8а) после ряда преобразований примет вид

———f-^in a¡ +sin(60o-ar1)]-//}f-5 sino;,

К

3 sin a,

• {r ■ [sin a{ + sin(60° - a¡)] - /u}2 •

r r

- + —

2

sin(60°-«,)- p

sin a,

(12)

Момент сил трения на лезвии диска относительно оси вращения

т).

К

З біп а

-•Ым

[віп а] +эт (бО )] -/ир г

Ж, 2

/■К-г

л/3 ы

эт а

з

где /- коэффициент трения лезвия о почву.

Рис.8. Схема для определения моментов нормальных реакций и моментов сил трения ножа относительно оси в различных положениях ножа: а - вход в почву; 6 - погруженное; в - выход из почвы

(Ю (Г)

Оба момента т^ ' и т^' направлены в сторону вращения, а суммарный мо-

мент равен

М = ~--\--«!+ эт^О0-«,)]-//}!"

5 біп ах

2 К

З біп ах

•^•■[біп ос і + зіп(б0°—«Г])] —-

г г ■ біп(бО°-)-/л 2 біп а,

+

Г-К-г

эт а

і

а\ + зіп(б0°-аг1)]->ир.

(14)

Аналогичным образом определяются моменты реакций на лезвии диска, целиком погруженном в почву (рис. 86, второе положение), и при выходе из почвы (третье положение). На третьем участке при а < 0 моменты нормальных реакций и сил трения направлены против вращения.

В результате детального анализа различных положений лезвия шестиугольного диска найдено, что суммарный момент его относительно оси вращения М0 определяется по формуле:

м,

= К\ —а^2

ї-г У-, 2 г л/З 3 3

Ш

81па

(15)

где к - коэффициент, характеризующий физическое состояние почвы; а - длина участка лезвия, погруженного в почву; /- коэффициент трения лезвия о почву; г - радиус шестиугольного ножа; а - угол защемления.

Для круглого диска подобный момент вычисляется по зависимости

1 2 т0 = —А" Я/

Я сов сра - //

-<ръ

(16)

где /? - радиус диска; ¡л - высота оси ножа над поверхностью почвы.

Из сравнения формул (15) и (16) и результатов вычислений по ним следует, что момент вращения шестиугольного диска оказывается в 1,2... 1,5 раза больше, чем круглого. Этим и переменным углом защемления растительных остатков объясняется его повышенная режущая способность и, следовательно, работоспособность.

Влияние траектории движения дискового ножа на деформацию почвы. Силы, действующие на движущийся нож в горизонтальной плоскости, появляются от неравномерности хода плуга по ширине захвата. Известно, что ширина захвата самопроизвольно меняется от - 0,15 до + 0,10 м от ее величины. Вилка дискового ножа, укрепленная шарнирно на раме почвообрабатывающего орудия, отклоняется примерно на такую же величину, но нож, заглубленный в почву, стремится сохранить прямолинейное движение плуга.

Объем почвы, вытесненный дисковым ножом при отклонении вправо или влево из-за неравномерного хода плуга по ширине захвата, определялся как объем части дискового ножа, врезанного в почву (рис. 9).

V"

Г/а к'да>

<г

У _ сег

где

- площадь дискового ножа,

(17)

' кр

Г 0 Г

А \ в

тип \ ч н ■ 07К / шшт

Рис.9. Дисковый нож: а - сечение плоскости ножа; б - вид сбоку

объем дискового ножа, м3; Бсег - площадь ножа, заглубленного в почву на 0,7/?, м ; Ксег - объем ножа, заглубленного в почву на 0,7/?, м3.

Объем ножа, заглубленного в почву на 0,7/?, равен 155-10"6 м3.

Сила, необходимая для прорезания почвы дисковым ножом на глубину 0,7/?, равна

Р=Кег'1, О«)

где Р - сила прорезания ножом, Н; д - коэффициент объемного смятия почвы, для жнивья, паров и лугов ц = 9,8...24,5 мН/м3.

Сила, необходимая для поворота дискового ножа на угол вокруг вертикальной оси, проходящей через центр диска, выразится уравнением (18), откуда:

1

V = ж ■ h Л R

(19)

где V— объем почвы, вытесненный нижней частью ножа (сегмент) при повороте вокруг оси на 180 градусов (шаровой сегмент).

_с

Подставляя данные в формулу, получим F = 9231,6 -10 м .

Объем, вытесненный диском при повороте на 1 градус, равняется

у]0 =513-1(Гбм3, а сила, необходимая для поворота ножа на 1 градус при q = 20

почвы '

мН/м3, будет равна: P = q-V = 20мН/м3 ■ 51,3 • 10~6м3 = 1026Я.

Зависимости Р = f {V, a, q) приведены на рисунке 10.

Рис.10. Зависимость силы от угла поворота и коэффициента объемного смятия почвы q (мН/м ): 1 - ¡? = 24; 2 - g = 17; 3 — q= 10и4-? = 3

При движении по дуге с различным радиусом Я дисковый нож подрезает почвенный пласт, сечение которого представляет собой неполную четверть эллипса, и отжимает ее в сторону центра описываемой окружности.

Передняя нижняя часть лезвия ножа (рис. 11) подрезает пласт по дуге и прижимает его к вертикальной стенке (уплотненный слой заштрихован). Задняя нижняя четверть ножа не испытывает сопротивления почвы, так как перемещается по выбранному передней частью ножа участку. Следовательно, почва деформируется в основном передней нижней четвертью ножа.

Зависимости деформации почвы от заглубления и перемещения ножа по дуге с различным радиусом (рис. 12) представлены гиперболой и описываются уравнением

Ь=/3.+а1/К ,

где г-1, 2, 3, а Я/ и у9/ определяются из системы уравнений:

1

Рис.11. Поперечное сечение пласта

к

'Д.

R .

j

1

-+K-/J.= I ъ j=1

j

(21)

j=і Kj J=! J

k

I ь

і

Iу V

где к - равняется числу значений радиусов (к = 9).

2

1»

\ . 3

VI ^2

Ч>1

1

Рис.12. Зависимость деформации почвы от радиуса траектории перемещения ножа при различном его заглублении: 1 - А = 0.06 м; 2 - А = 0,12 м; 3 - А = 0,18 м

Модель выбора формы лезвия выпуклого шестиугольного диска. Выбор типа лезвия (прямого, вогнутого или выпуклого) для выпуклого шестиугольного диска описан математической моделью. Для упрощения расчетов в основу модели выпуклого дискового ножа положено уравнение кругового конуса (воронки)

О

8 Км

(22)

Математическая модель (ММ) шестиугольного ножа получается из данного уравнения следующим образом: надо в основание конуса вписать правильный шестиугольник и через каждые две соседние его вершины провести плоскость,

параллельную оси Ог.

&

2

ЯР)=к 1

1ап Р

180

т-

<р{р) = С

( о п Л

сое Р-

I 18о;

асов 1 — 3 • с

х + ясоб Р

18о;

х^ + а

-с1х

соэ Р

180 )

' 1 + 3■сое Р

18о;

180

тс

Рис.13. Конический диск

В результате от воронки отсекаются сегменты, а оставшаяся часть воронки и есть искомая ММ (рис. 13), описываемая системой уравнений (23):

(23)

где И - стрелка лезвия ножа, т.е. расстояние от самой высокой точки лезвия до плоскости основания (плоскости вращения); Ь - длина лезвия между двумя соседними вершинами; (р - угол при вершине, понимаемый как угол между касательными, проведенными к двум соседним лезвиям в их общей вершине.

Рассмотрены три случая прохождения секущих плоскостей, вырезающих из конической воронки сегменты: параллельно оси Ог (вышерассмотренный) и когда это не так, т.е. плоскости проходят через некоторую точку С(0,0.Н), лежащую выше вершины конуса либо ниже его основания, т.е.

I»

яЛ

К я

Н = КЛ%у,Р<у<~ или Н =-Я-Щу,0<у<—.

где Н- координата точки С по высоте; у - угловая характеристика величины Н.

В пределе, при Н —> оо ^ получим систему уравнений (23).

В модели рассмотрены три возможных случая изготовления шестиугольного выпуклого диска, при разном прохождении секущей плоскости т-т (рис. 14).

В первом случае (рис. 14а) секущая плоскость проходит параллельно оси Ог, тогда при обработке почвы лезвие полностью занимает горизонтальное положение, и происходит качественное подрезание почвенного пласта средней плотности.

Если секущая плоскость т-т проходит через точку, расположенную выше его вершины (рис. 146), то при горизонтальном положении двух рядом лежащих углов лезвие между ними находится на вогнутой кривой, что способствует качественному подрезанию рыхлого почвенного пласта, так как длина лезвия максимальна.

Если секущая плоскость т-т проходит через точку, расположенную ниже его основания (рис. 14в), то при горизонтальном положении двух рядом лежащих углов лезвие между ними находится на выпуклой кривой и будет качественно подрезать твердый почвенный пласт.

Качество обработки почвы шестиугольными дисками. На крошение и качество подрезания почвенно-растительной массы при поверхностной обработке почвы значительно влияют такие параметры, как угол атаки (а), глубина обработки {И) и расстояния между дисками по оси (/)• Для выявления пределов варьирования этих параметров рассмотрена математическая модель работы шестиугольного сферического диска.

При установке диска (рис. 15) под любым углом атаки а > 0 проекция окружностей получается в виде эллипса. Точка А, лежащая на пересечении лезвия шестиугольного диска и поверхности поля, во время работы агрегата совершает сложное вращательное движение с колебанием относительно средней окружности шестиугольника, изменяя значение радиуса от описанной окружности до радиуса вписанной окружности и обратно.

Для определения положения точки А в пространстве принято допущение, что колебание незначительны и точка А движется по средней окружности шестиугольника. Среднюю окружность шестиугольника определяли с помощью канонического уравнения эллипса:

Рис.14. Срез диска плоскостью т-т: а -параллельно оси ОЪ\ б - через верхнюю вершину конуса; в - через нижнюю вершину конуса

2 2 £-+21 = 1 а2 Ь2

где а и Ь полуоси эллипса, в рассматриваемом случае а = г-Бта, Ь = г (г - радиус средней окружности шестиугольника, равный 209,93 мм, а — угол атаки диска, град); у - координата точки А, запишем её как у = г-И (И- глубина обработки).

После промежуточных преобразований получаем зависимость координаты х от глубины обработки и угла атаки

х = ъта4г-г-У1-У12 . (25)

Воспользовавшись зависимостью (26), можно найти расстояние (с) между точками А и А' (рис. 16)

с = I2 • х = / • соб а - 2 • бш а • • г ■ к - Л2 . (26)

Например, при установке диска под углом атаки а=15°, расстоянии между дисками по оси /=17см и глубине хода /г=6 см получается участок шириной с = 1'—2-х = 1-соба —2-х, который будет не обработан (рис. 16а), а это значит, что сорняки на этом участке не будут подрезаны.

Рис.16. Проекция дисков: а - при угле атаке а=15°; б — при угле атаке а=35°; А, А' - точки, лежащие на пересечении лезвия диска и поверхности поля; с -расстояние между двумя точками А и А'; <1- глубина двойного рыхления; е -высота гребня; И - глубина обработки; V - проекция расстояния между дисками по оси; х - координата точки А

При угле атаки а=35°, расстоянии между дисками по оси /=17 см и глубине хода Л=8 см получается участок с = 17-соз35°-2-Бт35°-л/2-22,5-8-82 =-5,85 см. Знак минуса говорит о том, что между точками А и А' будет выполняться двойное рыхление (перекрытие дисков). В таком случае (рис. 166) получается чрезмерное крошение и истирание почвы, что опасно в эрозионных зонах.

Рис.15. Проекция диска под углом атаки а > 0; А - точка, лежащая на пересечении лезвия шестиугольного диска и поверхности поля; а, Ъ - полуоси эллипса; й - глубина обработки; 1 - описанная окружность; 2 -вписанная окружность; 3 - средняя окружность шестиугольника, проведенная между вписанной и описанной окружностями.

А,Л

Решая обратную задачу, изменяя глубину обработки или угол атаки, можно добиться того, что величина с (расстояние между точками А и А') будет равно нулю, т. е. точка А как бы накладывается на точку А' и получается сплошная обработка почвы. Так, например, получается при установке дисков с расстоянием по оси \=\1 см, глубиной хода /г=8 см и углом атаки а=26,292°.

По выполненным расчетам зависимостей величины с было установлено, что отношение расстояния между точками А и А' к расстоянию между дисками V в процентах 5 = -^-100% показывает процентное соотношение подрезанных и не подрезанных площадей, а также отношение дважды подрезанной поверхности поля.

Полученные расчетные данные использованы для построения графических зависимостей изменения величины с от расстояния установки дисков /, глубины хода И и угла атаки а (рис. 17) и гистограммы процентного соотношения подрезанного и не подрезанного числа сорняков, а также количества дважды обработанной поверхности поля (рис. 18).

1

-

1

N

Ч

-

о со о СО к о о 50 О см о со о со 1" о о 70 120 | о со о со м О 100 о см

сг

гроб

— 15

- 20

— 25 30

— 35

— 40

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 -20,0 -40,0 -60,0 -80,0 -100,0 -120,0 -140,0 Л, ММ

/, мм

Рис.17. График изменения величины с в зависимости от расстояния установки дисков I, глубины хода А и угла атаки а.

Согласно агротребованиям при лущении должно выполняться условие: высота гребня не должна превышать половину глубины обработки - е < 0,5/г. Для быстрого определения качества обработки почвы и настройки орудия в согласно агротребованиям разработана номограмма (рис. 19).

Рис.19. Номограмма зависимости высоты гребня от угла атаки

Рис.18. Гистограмма процентного соотнс шения подрезанного (2) и не подрезанно! (1) числа сорняков, а также количеств дважды (3) обработанной поверхности пол: 200 т Ю0

180 . 160 і МО і 120 (■ 100

40 20 0

-Л

Л

V-

N

-Н N

N

70 | 60

50 £

40 1 о

30 | 20 10 О

26 28 30 32 34 36 38 40 Угол атаки, град

Используя выполненные расчеты, графики и номограмму, можно с минимумом затрат времени легко настроить дисковое почвообрабатывающее орудие на качественный режим работы.

Тяговое сопротивление дискового лущильника. Тяговое сопротивление определялось на основе общей формулы тягового сопротивления орудия Рх = Р, + Р2 + Р3 (где Р] - сила пропорциональная нормальному давлению, Н; Р2 —

у

сила деформации почвенного пласта, Н; Ръ - сила, сообщающая кинетическую энергию частицам пласта, Н), полученной В.П. Горячкиным, которая для определения сопротивления лущильника была преобразована в следующий вид:

Рх= /-Р + д-З + е-ЯУ2 = /-Р + (д+е-У2)5 , (27)

где /- коэффициент пропорциональности (сопротивления протаскиванию рабочего органа в открытой борозде); Р - вес орудия, Н; ц — удельное сопротивление почвы (аналогично пределу прочности в сопротивлении материалов), Н/м2 или кПа; 5 -площадь поперечного сечения пласта, вырезаемая рабочими органами на всю ширину орудия, м2; п — число рабочих органов; е - коэффициент скоростного сопротивления, зависящий от параметров (геометрической формы) рабочего органа и свойств почвы, Н-с2/м4;К— скорость движения агрегата, м/с.

В уравнении (27) неизвестная величина - площадь поперечного сечения обрабатываемого пласта почвы, зависящая от угла атаки, глубины обработки и расстояния между дисками по оси, т.е. 5 = Да, И, Г).

В связи с тем, что дисковые рабочие органы работают с разными углами атаки, она определялась для каждого случая отдельно.

Первый случай, когда диски работают с малыми углами атаки и между ними нет перекрытия (см. рис. 16а), определяется как 5 = 2 • п ■ 5,. Второй случай, когда диски работают с большим углом атаки и между ними возникает перекрытие (см. рис. 166), определяется выражением

5 = 2 ■ + (п -1)52+2(и -1)53 = 25, + (и - 1Х52 + 253). (28)

Составляющие площадей 5Ь 52, 53, входящих в общее уравнение площади, находятся по следующим зависимостям:

1

5, =-1 2

(h - r)V2 •r-h-h2 + г2 ■ arcsin^— -1 j - г2 ■ arcsin(-1)

•sina, (29)

где г — радиус диска, постоянная величина (г=225 мм); h — глубина обработки, мм; а - угол атаки, град.

и

S2=lcosafoh = (h-e)lcosa, (30)

е

где / - расстояние между дисками по оси, мм; е — высота гребня от дна борозды , Л А V(2rtg«)2-/2 .

(мм), определяемая по формуле е = г--, (31)

2tgor

3 2

(е - г)лІ2ге-е2 + г2 агсзіп^- -11 - г2 агсзіп(-І)

эта.

(32)

Определение площади для формулы тягового сопротивление (27) можно осуществлять для любого числа дисков, т. е. любого дискового орудия. Для примера представлен график (рис. 20) тягового сопротивления для экспериментального двухсекционного лущильника.

Рис.20. Графики зависимости Р=/[а;И), при глубине обработки почвы 60, 90 и 120 мм

В третьей главе «Условия, программа и методика экспериментальных исследований» приведены программа, общие и частные методики экспериментальных исследований, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.

Программа исследований предусматривала решение следующих задач:

- оценить влияние формы серийных и шестиугольных дисков на энергетические и качественные показатели их работы;

- оценить влияние состояния почвенного пласта и растительности на энергетические и качественные показатели при их резании;

- оценить качество работы орудий с шестиугольными дисковыми органами. Эксперименты проведены в соответствии с общепринятыми (стандартными) и разработанными частными методиками. В исследованиях применялись приборы и оборудование промышленного изготовления, а также устройства, разработанные и изготовленные автором.

Исследования процесса работы шестиугольных дисков проводилось в лабораторных условиях в почвенном канале (рис. 21), лабораторно-полевой опыт по определению энергетики и качества работы плуга с ножами и без них на Сибирской машиноиспытательной станции с использованием передвижной тензометрической лаборатории типа ПТЛ-1 на базе автомобиля УАЗ-450 (рис. 22).

Рис.21. Схема почвенного канала: 1 - тележка; 2 - каретка; 3, 8 - приводные тросы; 4 - трос перемещения каретки; 5 -параллелограмм (четырёхзвенный механизм); 6 - рамка секции; 7 - диски; 9 -водоналивной каток

Опытный образец сферического шестиугольного диска приведен на рисунке 23а. Для лабораторно-полевых испытаний был изготовлен экспериментальный двухсекционный дисковый лущильник (рис. 236), а плуг ПЛН-4-35 оборудован шестиугольными дисковыми ножами (рис. 23в).

Сравнительные испытания экспериментальных и серийных рабочих органов дискового лущильника

выполняли в два этапа.

Первый этап проходил на полях ЗАО «Учебно-опытное хозяйство №1» города Омска, где определялись параметры качества обработки

почвы: гребнистость поверх- „„„„,-

Рис.22. Лаоораторно-полевые испытания на Сибирской го-ности поля; твердость и плот- „ „ „ у

г сударственнои зональной машиноиспытательной станции

ность почвы; равномерность

глубины обработки; качество подрезания сорной растительности; определение фракционного состава почвы на глубину хода рабочего органа.

Второй этап осуществлялся на СибМИС, где определялись аналогичные параметры, а также скорость агрегата (км/ч); часовой расход топлива (кг/ч); тяговое сопротивление (кН) и отброс почвы (см).

Рис.23. Экспериментальные образцы: а - сферический диск; б - двухсекционный лущильник с экспериментальными рабочими органами; в - дисковый нож

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведен анализ результатов лабораторных и полевых экспериментов, основные экспериментальные зависимости и установленные оптимальные параметры и режимы работы шестиугольных ножей пахотных и лущильных агрегатов.

Лабораторные исследования проводились с круглыми и шестиугольными дисками диаметром 0,4 и 0,45 м в соответствии с программой и методикой.

Выявлено существенное влияние на тяговое сопротивление диска твердости почвы (ЕФ = 394,6 > Р05 теор = 4,32); скорости перемещения диска = 109,3 > Р05 = 4,32); конструкции диска (Вф = 34,6 > = 4,32). Взаимодействие факторов не оказало существенного влияния (Рф = 0,06; 0,04; 3,6 и 0,6 против Р05 = 4,32).

Установлено, что с увеличением скорости от 1,44 ■ 0,277 до 11,2 ■ 0,277 м/с тяговое сопротивление ножей повышается на 17...24 % (рис. 24). При этом сопротивление шестиугольного диска по сравнению с круглым (^ = 0,4 и с1 = 0,45 м) составляет 77,2...80 % при твердости почвы 2,38 МПа и её влажности 22,1 %.

При повышении твердости почвы в 3,5 раза тяговое сопротивление шестиугольных и круглых дисков (й? = 0,40 м) увеличивается соответственно в 1,7...2 и 1,9...2,1 раза. При этом тяговое сопротивление при работе шестиугольного диска ниже круглого (с1 = 0,40 и ¿= 0,45м) на 21,2... 21,3%.

Рис.24. Тяговое сопротивление (Р) дисков в зависимости от скорости движения v: - - - круглые; — шестиугольные; 1,3 — ¿ = 0,45 м; 2, 4... 10 -¿=0,40 м; 1 ...6 - iv = 22,1%; 7...10 - iv = 14,9%; 1...4 - т„ = 2,38 МПа; 5...6 - Г„ = 0,67 МПа; 7...8 -Г„ = 1,19 МПа; 9...10-Г„ = 0,62 МПа

При изменении влажности почвы от 14,9 до 22,1 % тяговое сопротивление для круглых дисков увеличилось на 8,41... 14,22 % и несущественно - на 3,7...6,9 % для шестиугольных. Во всех опытах тяговое сопротивление экспериментального диска по сравнению с серийным диском уменьшилось на 18...26 %.

Установлено, что количество вытесненной диском почвы прямо пропорционально отклонению стойки дискового ножа от прямолинейного движения (рис. 25, кривые 1, 2, 4). При двухстороннем отклонении стойки на величину 12 • 10'2 м объем почвы, вытесненной диском при движении стойки по плавной траектории - синусоиде, на 28...30 % больше объема почвы, вытесненного при движении стойки по ломаной линии. При отклонении на 9 • 10"2 м - соответственно на 24...25 %.

Закономерность вытеснения почвы дисковым ножом при вылете вилки на (6,8...28,8) ■ 10 2 м характеризуется гиперболической кривой (рис. 25, кривая 5) и описывается следующей зависимостью:

У= 770,031+ 480268 / а', (22)

Рис.25. Объем вытесненный диском почвы v в зависимости от траектории движения и величины отклонения

5" и вылета вилки ножа а'; - экспериментальные

данные; — эмпирические зависимости

где V— объем вытесненной почвы, 10"6 м ; а' - вылет вилки ножа, 10" м.

Исследования показали, что наличие предохранительной пружины в конструкции вилки ножа существенно снижает (в 1,5...2,4 раза) динамическую нагрузку

на подшипниковый узел ножа при отклонении последнего от прямолинейного движения (рис. 26).

2 і

3 \ ,

ГГ« \ \

Рис.26. Моменты М в горизонтальной плоскости в зависимости от величины отклонения ножа У:

-вилка без пружины;---вилка с пружиной; 1,4 -

V = 2,7 • 0,277 м/с; 2,5 - V = 5 • 0,277 м/с; 3,6 - V = 9 • 0,277 м/с; (Г„ = 2,4МПа; 1ГП = 18,3 %; глубина погружения диска (с/ = 0,4 м) — 12 • 10'2 м).

12 S-10лм

Дж мм7

0,10 0Л5

Эксперименты по изменению величины работы резания растительной массы в зависимости от ее натяжения и способа фиксации (рис. 27) показали, что при увеличении нагрузки на растяжение растительности (от 0 до 4,0 Н/мм2) работа, затраченная на резание, уменьшается на: 56...62% при толщине лезвия 8= 172 мкм; 37...55% при 8= 357 мкм; 36...45% при 8= 782 мкм; 31...44% при 8= 1194 мкм. С увеличением толщины кромки лезвия диска 8 затраты на работу резания Ауд существенно возрастают (рис. 27а, б, в, г), достигая наибольшего значения при 8= 1194 мкм для Р=0. При Р = 4 Н/мм2, величина работы немного повышается.

Увеличение 8 от 172 до 1194 мкм, при Р = 0, способствует повышению-коэффициента вари- Q

ации v и среднеквадратичного отклонения S.

Рис.27. Изменение величины работы резания А растительности в напряженном состоянии (а, б, в, г - соломы, д - корней люцерны) в зависимости от силы растяжения Р (угол резания а и толщина кромки лезвия ножа <5: 1, 2, 3 - а - 60, 40 и 20°; а,д — S= 172 мкм; б, в, г - 8= 357, 782 и И 94 мкм)

,1

2 71 3

0 0,8 1,6 Р, Н/мм!

Р, Н/мм2

20 40 60 Р, Н/мі

а

Величина работы резания увеличивается пропорционально углу резания а. Изменение угла резания а от 20 до 60° {Р = 4 Н/мм2) несущественно влияет на увеличение Ауд. При этом изменчивость среднеквадратического отклонения 5 и ошибки выборочной средней 5х незначительны, что свидетельствует о стабильном процессе резания растительности в напряженном состоянии.

0,24

Из графика (рис. 21 д) видно, что изменение затраченной работы на резание в зависимости от угла резания и натяжения корней происходит по гиперболе. Затраты работы при максимальной нагрузке для растяжения корней снизилась до 56...61 % по сравнению с работой резания корней в свободном их состоянии.

Исследованиями установлено, что изменение величины работы в зависимости от толщины кромки лезвия диска и угла его резания (рис. 28) происходит по прямой, не проходящей через начало координат. При толщине кромки лезвия 3= 1194 мкм

затрачено работы на резание подсолнечника и конопли, соответственно, на 11,4...28,2% и 18,1...22,5 % больше по сравнению с работой при резании ножом с 5= 172 мкм.

Затраты работы на резание стеблей конопли в напряженном состоянии (по сравнению со свободным) при а = 10 и 30° уменьшаются на 37...41 %.

На резание подсолнечника, при прочих равных условиях, затрачено работы в 2,8...3,2 раза меньше по сравнению с работой, затраченной на резание конопли. Такая разница объясняется тем, что стебель конопли содержит до 25 % волокна, которое отличается значительной прочностью.

Исследованиями по резанию соломистой массы установлено (рис. 29), что с увеличением твердости почвенного подпора (0,49; 1,51 и 2,35 МПа) и нагрузки (0...80 Н) на испытуемый материал (IV= 24,7 %) снижение работы при резании соответственно составило 50,9; 65,8 и 73,5 %.

При резании образцов (Ж= 59,8 %) с твердостью почвенного подпора 0,49 МПа с той же нагрузкой снижение составило 50%.

0,16

0,08

б, мкм

Рис.28. Изменение величины работы резания А растительности в зависимости от толщины кромки лезвия ножа 3 при резании 1.. .4 - конопли (IV= 59,6 %); 5...8 - подсолнечника (^=61,7%), растяжения 1,2, 5, б -Р = 0; 3, 4, 7, 8,-Р = 100 Н и угла резания 2, 4, 6, 8 - а = 10°; 1,3,5,7-а = 30°

Рис.29. Изменение величины работы резания А в зависимости от силы давления пластин Р на солому при различной влажности \У и твердости Т„ почвенного подпора: 1,3 — Ж = 73,3%; 2 - IV = 59,8%; 4, 5, 6 24,7%; 1, 4, 2 - Г„ = 0,49 МПа; 5 - Г„ = 1,51 МПа; 3, 6 - Г„ = 2,35 МПа; -солома разрезается полностью; — частично

Сырая солома (Ж= 73,3 %) на почвенном подпоре (Гп = 2,35 МПа) с нагрузкоГ 0...30 Н не разрезалась. На мягкой почве (Г„ = 0,49 МПа) с нагрузкой 0...80 Н он резалась с низким качеством - растительность мялась, обволакивала лезвие диска углублялась им в почву в неразрезанном виде.

Из выполненных исследований следует, что снижение работы резания происходит по гиперболической зависимости (рис. 30). Так, например, при увеличении твердости почвы с 1 до 3 МПа работа на резание образцов соломы (Ж= 19,9 %) в свободном, частично и полностью фиксированном состоянии, соответственно, уменьшилась на 60; 46 и 29 %.

Рис.30. Изменение величины работы резания А в зависимости от влажности соломы IV, твердости почвенного подпора Гп и способа фиксации растений: \,2, 6 - 1¥ = 69,7%; 3, 4, 5 - Ж = 19,9%; 5, 6 - растение фиксировано полностью; 2, 4 - частично; 1, 3 - не фиксировано; —-солома разрезается полностью;---частично

На работу и качество резания влияет способ фиксации. При твердости почвы 1 МПа работа на резание пучков соломы, частично и полностью фиксированных, снижалась соответственно на 52 и 74 % по сравнению с резанием не фиксированной (свободной) соломы. При твердости почвы 3 МПа и прочих равных условиях снижение составило 37 и 55 %.

Следовательно, существенного снижения работы можно достичь при фиксировании обоих концов растительности. Для выполнения этого условия дисковые ножи дополнительно оборудовались прижимной пластиной.

Эксперименты показали, что тяговое сопротивление (рис. 31) при резании почвы с соломистыми остатками дисками с пластиной снижается на 21...26% по сравнению с дисками без пластины.

Тп, МПа

,Н

100

00

600

1

«Г"

2

о—

3

0 2 4 6

\А0,277 м/с

Рис.31. Изменение тягового сопротивления ножа в зависимости от его конструкции: 1 -резание почвенно-соломистой массы ножом без пластины; 2-е пластиной; 3 — резание почвы с отсутствием на ней соломы; = 35...38 %; Гп = 2,4 Мпа; 1Уп = 22 %)

Результаты исследований резания корней люцерны (рис. 32) показывают, что затраты работы на резание корней в почве (при глубине хода 0,08—0,10 м) по сравнению с затратами на резание корней, расположенных на поверхности, снижались на 25...30 %. Это объясняется тем, что корень, находящийся в почве, полностью зафиксирован. Величина прогиба корня ножом в почве была в обратной зависимости от твердости последней. Затраченная на резание работа находилась в прямой зависимости от радиуса изгиба корня.

Из сказанного следует, что при вспашке почвы с низкой твердостью находящиеся в ней корни и корневища при резании будут прогибаться и защемлять лезвие ножа. Качество работы при таком резании низкое, так как часть корней остается не разрезанной.

Рис.32. Изменение величины работы резания А корней люцерны в зависимости от твердости почвы Г„: 1 - почвы и корней; 2 - корня на поверхности почвы; 3 - почвы без корней; 4 — корня, расположенного в почве на глубине (8...10) • 10"2м

Увеличение твердости почвенного подпора и натяжение корней (от 20 до 120 Н) уменьшает величину работы при резании на 48...51 % (рис. 33). Работа резания пропорционально зависит от радиуса выпуклости почвенного подпора. С увеличением радиуса выпуклости почвенного подпора от 0,05 до 0,3 м затрата работы на резание возрастает на 64 %.

А, Дж

им2

0,16

0,08

N. Л ОХ».

\ \2

о К3

4

Р.МПа

40

80 Р,Н

Технологический процесс резания с различным радиусом прогиба корней и корневищ имеет место в практике сельскохозяйственного производства - при вспашке пласта многолетних трав, целинных и залежных земель.

Рис.33. Изменение величины работы резания А корней люцерны (IV = 59,5 %) в зависимости от силы их натяжения Р (1, 2) и радиуса Я (3) выпуклого почвенного подпора (1 - Т„ = 1,2 МПа; 2 - Г„ = 1,9 МПа; 1У„ = 23%)

Лабораторно-полевыми исследованиями

установлено, что затраты работы на резание почвенного пласта в напряженном состоянии перед корпусом плуга (рис. 34) на отрезке (0...25) • 10"2 м уменьшаются на 40...72 %, а на отрезке (25...30) • 10"2 м возрастают на 24...60 %.

Рис.34. Изменение величины работы резания А в зависимости от места резания У напряженного: а - (плужным корпусом); б — (прямолинейным уголком) почвенного пласта при его толщине: 1 -0,20 м; 2-0,18 м; 3-0,16 м; (1ГП = 13,8 %; Гп = 3,4 МПа)

Дж

40,

30, 20 10

1/\

и

к

V] г°Л

1У

10

20

Б'-Ю'м

Почворастительная масса в напряженном (растянутом) состоянии режется кромкой лезвия ножа при низком сопротивлении почвы. Созданию напряженного состояния пласта способствует наличие плотного переплетения корней и корневищ,

расположенных в слое (0...12) • 10"2 м почвенного пласта. Форма натяжного устройства влияет на степень напряжения пласта, что характеризуется видом и расположением кривых (рис. 34). При натяжении пласта уголком максимально напряженный участок смещается от носка назад на (25...35) • 10"2м. Максимально напряженной зоной при вспашке плугом является вспученный участок пласта перед корпусом на расстоянии от носка лемеха (против хода) (15...25) ■ 10"2 м.

Затраты работы при резании на расстоянии 25 • 10'2 м от носка лемеха (против хода) в плоскости полевого обреза корпуса существенно уменьшаются (на 40...72 %), что подтверждает теоретические выводы о резании материалов в напряженном состоянии.

Лабораторно-полевые испытания показали, что с увеличением скорости вспашки удельное сопротивление корпуса увеличивается по закону параболы (рис. 35). Удельное тяговое сопротивление корпуса с дисковым ножом, укрепленным в

зоне максимально напряженного пласта (положение 0,93 Я + 10 • 10"2), снижается на 14... 19 % по сравнению с сопротивлением корпуса с установкой ножа по ГОСТу.

К, КПа 80 70 60 50

2 1 \

О,ф

3

4 5

3 4 5 6 У-0,277м/с

Рис.35. Изменение удельного сопротивления (К) корпуса в зависимости от скорости движения (К) и места установки ножа: 1 - без ножа; 2-е ножом (установка по ГОСТ); 3 - установка ножа от носка лемеха на расстоянии / - 0,93 Я; 4-1 = 0,9311 + 0,2 м; 5 -/ = 0,93й + 0,1 м

Установка ножа на расстоянии 0,93Д + (0...20) • 10"2 м от носка лемеха сопровождается изменением удельного сопротивления корпуса. При / = 0,9311 удельное сопротивление снижается на 5.. .7 %. При I = 0,93Я + 10 • 10"2 - сначала уменьшается на 14...19 %, а затем (в положении / = 0,93/? + 20 ■ 10"2 м) увеличивается на 6...10 %.

Экспериментально доказано, что с увеличением скорости движения моменть: вращения дисков существенно увеличиваются (рис. 36). При этом более интенсивный рост моментов вращения ножей (до 41...57 %) появляется при скорости движения от 1,65 • 0,277 до 5,6 • 0,277 м/с. При дальнейшем увеличении скорости движения от 5,6 • 0,277 до 9,55 • 0,277 м/с рост моментов замедляется и увеличение его для круглого и шестиугольного дисковых ножей составляет соответственно 9 и 13 %. При скорости движения У= (1,65...9,55) • 0,277 м/с момент вращения шестиугольного диска выше круглого на 28...36 %.

Полученные данные аппроксимируются формулой вида М= VI (1,54 + 3,7К), где М- момент вращения ножа, кНм; V- скорость движения установки, м/с.

На основание выше сказанного можно полагать, что коэффициент К в формуле (15) будет зависеть в большей степени от изменения скорости. Данная зависимость К=/(У) представлена на рисунке 37. Из графика видно, что при увеличении скорости значение коэффициента уменьшается.

Методом наложения линии тренда на график по программе Microsoft Excel была определена формульная зависимость К= 21,154F ''7515. Расчетные значения моментов дисков, выполненные по ней, показывают, что с увеличе-

Рис.36. Изменение моментов вращения M шестиугольного и круглого дисковых ножей и коэффициента вариации V в зависимости от скорости движения: 1 -шестиугольный нож; 2 - круглый нож; W„ = 16,3 %; Т„ = 4,4...4,9 МПа

V, %

21

19

17

15

t fc

V

\

4— -41 ч

и 3 7 V •0,2 77 м

М, кНм 0,28 0,24 0,20 0,16 o-*'

\ f s V —

о/ 4 kj.rf ■ь" \

f/

Us f У,

в іо/ 2

I

0 2 4 6 УО,277 м/с

нием скорости V среднеквадратическое отклонение 5 и коэффициент вариации V увеличиваются, достигая максимального значения при V- 9,55 • 0,277 м/с и Бх = 7,0...9,35 Нм.

Рис.37, зависимость коэ<Ь<Ьиниента /£=/?V)

Сравнительные испытания экспериментальных и серийных дисковых ножей на вспашке зяби (ножи устанавливались перед каждым рабочим корпусом плуга ПЛН-4-35) показали, что путь, на котором полностью разрезается ворох соломы у шестиугольных ножей по сравнению с круглыми, меньше в 3...3,4 раза (рис. 38) .

Из графика (рис. 39) следует, что при ^ _^

скорости (5...7,8) • 0,277 м/с и резании вороха 0/' ___У]

соломы высотою 12 • 10"2 м путь резания у ° м V у|!

шестиугольного ножа в 5,4...10,3 раза короче по

сравнению с круглым - серийным ножом. ^ 'Гл\уі

6

Рис.38. Изменение пути резания I соломы и коэффициента V 2 —--7-

в зависимости от высоты Л вороха при V =1 ■ 0,277 м/с: - - - 5 ' 2 '

круглые лезвия ножа;-шестиугольные ^ $ -і *-

4 8 МО2, м

Испытания шестиугольных дисковых ножей, дополнительно оборудованных прижимными пластинами, показали, что ножи, оборудованные пластинами по виду Архимедовой, логарифмической или гиперболической спирали, разрезают ворох соломы быстрее по сравнению с ножом без пластины соответственно в 1,1...1,2; 1,2...1,5 и 4,7...13 раз. С увеличением высоты вороха от 6 • 10'2 до 24 • 10"2 м качество работы ножа с пластиной по сравнению с работой ножа без пластины возрастает в1,4...2,8 раза (рис. 40).

l M 4 2 Q /

V , A

< І w fy— І

2 M

V-0,277 м/с

Рис.39. Изменение пути резания / вороха соломы в зависимости от скорости движения V пахотного агрегата: 1 - круглые; 2 - шестиугольные ножи; (Л = 12 ■ 10"2 м)

Анализ зависимости пути резания от скорости движения агрегата и места крепления (вылета) пластины ножа позволяет сделать выводы: при повышении скорости от 6 • 0,277 до 7,5 • 0,277 м/с путь, на котором осуществляется полное разрезание соломистых остатков, увеличивается в 2,19...3,18 раза; вылет пластины от 0 до 8 • 10"2 м сокращает путь резания в 4,25...6,2 раза и уменьшает угол защемления а ножа на 9,7...17,6°, или на 11...22,1 %.

Асимптота спиралей (пластин) (150... 195) • 10'3 м уменьшает угол защемления на 8,6... 16,6°, или на 9,7...21%. Из этого следует, что высокое качество резания достигается шестиугольным дисковым ножом с пластиной, изготовленной по виду гиперболической спирали, и асимптотами (180...195) • 10"3 м (рис. 40).

Рис.40. Изменение пути резания I и угла защемления а в зависимости от места крепления (в) пластины: 1,2, 3 - скорости 2,0; 1,85 и 1,7 м/с; 4, 5, 6, 7, - асимптоты (150; 165; 180; 195)- Ю-3 м

20 40

й-Ю^м

а LU -<Г- у .-О/J

хУ < W

< > / jf

А Г/ j \5 6

V-0,277 м/с

Повышение качества резания дисковым ножом с пластиной является подтверждением теоретических изысканий и лабораторных опытов по вопросу резания растительных материалов в фиксированном (напряженном) состоянии.

Рис.41. Изменение пути резания / в зависимости от скорости движения V и высоты вороха А: 1, 2, 3, 6 - / при Ъ = 18 • 10"2 м; 4, 5 - / =ДА) при У= 7,5 • 0,277 м/с; - - - нож без пластины;-нож с пластиной (2 - по Архимедовой спирали; 3 - по логарифмической и б - по гиперболической)

12 h-10z,M

Сравнительные испытания плуга с экспериментальными и серийными дисковыми ножами проводились на вспашке зяби в хозяйствах Омской области. Условия испытания следующие: почва полей представляла собой выщелоченный чернозем

среднесуглинистого механического состава, рельеф поля ровный; фон - пшеничное жнивье с наличием соломистой массы в виде мелких кучек (вороха) на стерневом фоне; влажность и твердость почвы соответственно 18...22 % и 1,7...2,3 Мпа; глубина пахоты колебалась в пределах 0,18...0,22 м.

Испытания на СибМИС показали, что применение шестиугольных дисковых ножей уменьшает глыбистость и гребнистость пашни на 14...19 %, улучшает заделку растительных остатков на 12... 15 %, улучшается качество крошения пласта на 12... 17 % и прямолинейность движения при работе плуга. Применение шестиугольных дисковых ножей значительно уменьшило коэффициент вариации упо глубине и ширине захвата плуга (соответственно 84,2...90 % и 44,2...71,8 %) к работе плуга без ножей, способствовало увеличению наклона пласта на 7 % и уменьшению удельного тягового сопротивления плуга на 18...20 %.

Опытные образцы плужных шестиугольных дисковых ножей прошли государственные испытания и производственную проверку в различных хозяйствах Омской области и показали высокую эффективность. Производительность пахотного агрегата с шестиугольными ножами, по сравнению с серийными круглыми, повысилась на 13% (за счет ликвидации технологических простоев на очистку ножей и качества резания почвенного пласта с наличием соломистых остатков).

В ходе испытаний лущильника, оборудованного шестиугольными сферическими дисками, получены зависимости качества подрезания сорной растительности от угла атаки, глубины обработки и расстояния между дисками по оси (фрагмент приведен на рис. 42). Из их анализа следует, что увеличение угла атаки агрегата повышает качество подрезания сорной растительности, наблюдается более качественное подрезание сорной растительности при обработке почвы на большую глубину.

Рис.42. Зависимости качества подрезания сорной растительности 6 = /{ос, И): при расстоянии между дисками/=160 мм.

С ростом угла атаки более а=25° качество подрезание сорной растительности возрастет, однако не является идеальным. Для достижения 100 % подрезания сорной растительности необходимо увеличить глубину обработки до 120 мм. Сделано предположение, что увеличение угла атаки более 40° приведет к выравниванию графиков в прямые линии, которые проходят на уровне 100%.

В ходе эксперимента выявлены основные факторы, от которых зависит качество обработки почвы, и определено их влияние на качество подрезания сорной растительности. Модель признана адекватной на 1 % уровне (Грасч=2,75 <Гп5„=3,2). Полученное уравнение регрессии имеет вид (33). На его основании получены зависи-

мости качества подрезания сорной растительности и построены поверхности отклика, по которым определены рациональные показатели режима работы дискового лущильника.

Г = 0,875399 + 0,194579 • Х1 + 0,022735 • Х2 + 0,08611 ■ Х3 + +0,014344 ■Х,-Х2 + 0,004594 -ХГХ3 + 0,004594 • Х2 ■ Х3 - (33)

-0,03006 ■ X,2 - 0,00789 • Х\ - 0,079054 • Х\

Экспериментально подтверждено, что основным фактором, влияющим на качество подрезания сорной растительности, является угол атаки. При значении угла атаки «=35° наблюдается 100 % подрезание сорняков при лущении на глубину от 60 до 120 мм и расстоянии между дисками 160... 180 мм. Расстояние между дисками по оси в меньшей степени влияет на качество подрезания сорной растительности, однако, при уменьшении расстояния между дисками происходит забивание междискового пространства почвенно-растительной массой.

При угле атаки дисков 35° разница удельных сопротивлений шестиугольных и серийных круглых составила 6,5...7,4% в пользу шестиугольных. Шестиугольные сферические диски имеют перед серийными круглыми сферическими и другие преимущества: они меньше отбрасывали и распыляли почву соответственно на 8,7... 10,4 % и на 6,1...9,8 %; подрезали сорняки и пожнивные остатки на 99... 100 % (серийные на 92...99 %).

Испытания на СибМИС показали, что шестиугольные сферические диски меньше отбрасывают и распыляют почву, соответственно на 8,7. ..10,4 % и 6,1...9,8 %; подрезают сорняки и пожнивные остатки на 99...100 %, серийные на 92. ..99 %; шестиугольные диски лучше заглубляются в почву, чем серийные круглые. Содержание наиболее ценных почвенных агрегатов размером 10-3 и 3-0,25 мм составляет, соответственно, 26,4...29,0 и 35,7...37,3 % после обработки экспериментальными дисками и 24,9...27,2 и 34,4...36,5 % - после обработки серийными, содержание пы-леватых частиц менее 0,25 в общей массе почвы составило, соответственно, 11,1. ..16,7 и 13,7...19,4 %.

Сопоставление результатов теоретических и

экспериментальных исследований показало:

- расхождение величин моментов, вращения дисковых ножей, определенных теоретически и экспериментально, находится в 5 % интервале (рис. 43), что не превышает ошибки опытов;

- теоретические и экспериментальные зависимости качества подрезания сорной растительности, полученные

Рис.43. Моменты вращения М шестиугольного и круглого дисковых ножей в зависимости от скорости движения: 1, 2 - шестиугольный нож,-график теоретический,---экспериментальный; 3, 4 - круглый нож, - график теоретический, — экспериментальный;

= 16,3 %; Г„ = 4,4.. .4,9 Мпа

при проведении опытов, подчиняются одной и той же закономерности и имеют лишь незначительные расхождения в абсолютных значениях (рис. 44). Расхождения между теоретическими и экспериментальными зависимостями объясняются следующими причинами: в теории принималась идеальная форма поперечного сечения пласта. В реальности же форма поперечного сечения будет иметь сколы на боковых поверхностях борозды, что зависит от множества факторов: прямолинейности движения агрегата, равномерности хода (ускорения и замедления) и др. На качество подрезания сорной растительности влияет угол атаки дисков а, что подтверждается рассматриваемыми графиками;

— для сравнения опытных данных Сиб-МИС по тяговому сопротивлению экспериментального двухсекционного дискового лущильника и теоретических данных рассмотрен график зависимости Р=_Да) (рис. 45) при постоянной глубине обработки почвы. Кривые на графике подчиняются одной закономерности, имеют одни и те же тенденции изменения, а их расхождение не превышает ±5 %.

Расхождение кривых объясняется тем, что в теоретических расчетах глубина обработки принималась постоянной, в реальности она изменяется. При расчете также не учитываются переменные свойства почвы, а коэффициенты для уравнения в теории были выбраны согласно справочной литературе.

Можно констатировать, что на тяговое сопротивление ножа существенное влияние оказывают твердость почвы, скорость перемещения и конструкция лезвия ножа. Тяговое сопротивление шестиугольного ножа меньше сопротивления круглого на 18...26 %. Момент вращения шестиугольного ножа больше момента вращения круглого на 28...36 %.

В пятой главе «Экономическая эффективность использования новых орудий» годовой экономический эффект от внедрения плуга ГОШ - 4 - 35 с шестиугольными ножами составляет 27078,27 руб. (срок окупаемости 1 сезон); от внедрения лущильника ЛДГ - 15А, с шестиугольными дисками.составляет 66333,64 руб. (срок окупаемости 1 сезон).

Рис.44. Качество подрезания сорной растительности 5 = (а, Ь), при расстоянии между дисками 1 =170 мм

Рис.45. Сравнение тягового сопротивления двухсекционного дискового лущильника

Общие выводы

1. Унифицированные серийные (плоские и сферические) диски с гладкими лезвиями, устанавливаемые на различных почвообрабатывающих орудиях, работают в условиях различного технологического воздействия на почвенно-растительную массу, что является основной причиной несоблюдения агротехнических требований, предъявляемых к основной и поверхностной обработке почвы. Это снижает технологическую надежность работы почвообрабатывающих машин, качество обработки почвы, повышает энергетические затраты.

2. Для обеспечения эффективного резания почвенно-растительной массы угол защемления разрезаемого стебля не должен превышать сумму углов трения стебля о лезвие и почвенный подпор. При этом величина угла защемления зависит от толщины и шероховатости кромки лезвия, а углы трения - от вида и влажности разрезаемых стеблей и их расположения относительно плоскости резания. На защемление единичных стеблей положительное влияние оказывает наличие перед разрезаемым материалом почвенных выступов, ограничивающих выскальзывания стеблей из-под лезвия, и кинематический параметр ножа. На тяговое сопротивление ножа существенное влияние оказывают твердость почвы, скорость перемещения и форма и конструкция лезвия ножа.

3. Рациональная форма лезвия рабочего диска - шестиугольная, имеющая наименьший угол защемления а = 33...43° с чередующейся заточкой рядом лежащих граней. При погружении режущих дисков в почвенный пласт на глубину от 0,08 до 0,12 м эффективность защемления и резания соломисто-растительной массы у шестиугольного ножа повышается в 1,8...2 раза по сравнению с круглым. Резание почвенно-растительной массы в состоянии растяжения осуществляется в основном кромкой лезвия и в этом случае угол заточки и толщина лезвия дисков на работу резания существенного влияния не оказывают.

4. Тяговое сопротивление шестиугольного ножа меньше сопротивления круглого на 18...26 %, а момент вращения - больше на 28...36 %. Увеличение нагрузки (0...100 Н) при растяжении растительной массы уменьшает работу на резание: соломы на 30...62 %, корней люцерны на 55...60 %, конопли на 34...41 % (при толщине кромки лезвия 172... 1194 мкм).

5. Получены аналитические зависимости для расчета моментов вращения шестиугольного и круглого ножей в функции глубины погружения их в разрезаемый пласт и физико-механических свойств почвы. Установлено, что суммарный момент шестиугольного диска относительно оси вращения зависит от длины участка лезвия, погруженного в почву, радиуса шестиугольного ножа, угла защемления, коэффициента трения лезвия о почву и коэффициента, характеризующего физическое состояние почвы. Момент сил на лезвии круглого дискового ножа относительно оси вращения определяется только силами трения. Поэтому потенциальный момент вращения шестиугольного ножа в 1,2-1,5 раз больше, чем у ножа с круглой формой, что повышает его режущую способность и работоспособность.

6. Разработана математическая модель выпуклого диска, основанная на уравнении кругового конуса - воронки шестиугольного диска, позволяющая определить

в любой момент длину лезвия между углами шестиугольного выпуклого диска, угол между касательными лезвий и высоту стрелы прогиба в функции угла конусности для разных условий работы:

- если секущая плоскость конуса проходит параллельно оси Ог, то в этом случае при обработке почвы лезвие полностью занимает горизонтальное положение и происходит качественное подрезание почвенного пласта средней плотности;

- если секущая плоскость конуса проходит через точку, расположенную выше его вершины, то при горизонтальном положении двух рядом лежащих углов лезвие между ними находится на вогнутой кривой, что способствует качественному подрезанию рыхлого почвенного пласта;

- если секущая плоскость конуса проходит через точку, расположенную ниже его основания, то при горизонтальном положении двух рядом лежащих углов лезвие между ними находится на выпуклой кривой и будет качественно подрезать твердый почвенный пласт.

7. Получено уравнение регрессии, устанавливающее зависимость качества подрезания сорной растительности дисковым лущильником от угла атаки (а), глубины обработки почвы {И) и расстояния между дисками по оси (/). Выбор угла атаки дисков лущильника, при котором будет выполняться качественное подрезание сорной растительности необходимо осуществлять для конкретной глубины обработки по данным приложений (31-33). На основании данного уравнения определены значения а =35°, Ь =60... 120 мм и /=170 мм.

8. Разработаны технические средства для основной и поверхностной обработки почвы на основе резания в напряженном (растянутом) состоянии с применением шестиугольных рабочих органов: плуги ПЛН-4-35 и РН-4 соответственно с шестиугольным дисковым ножом и сферическими дисками с К-образными вырезами и лущильник ЛДГ-15А с шестиугольными сферическими дисками. Применение шестиугольных дисковых ножей уменьшает глыбистость и гребнистость пашни на 14... 19 %, улучшает заделку растительных остатков на 12... 15 %, крошение пласта — на 12...17 %, улучшает прямолинейность хода плуга, а также уменьшает удельное сопротивление плуга на 18...20 %.

9. Работа резания задернованного пласта в напряженном состоянии при установке шестиугольного диска перед корпусом плуга на расстоянии (15...20) • 10'2 м от носка лемеха против хода плуга снижается на 40...70 %. Оптимальным положением ножа является расстояние 0,93Д + 15-10"2 м, считая от носка лемеха против хода плуга. Удельное сопротивление корпуса плуга при такой установке ножа снижается на 28 %.

10. Применение вилки ножа с предохранительной пружиной уменьшает динамические нагрузки на поводки вилки и подшипниковый узел ножа в 2...2,7 раза. Нож с прижимной пластиной работает в 1,4...2,8 раза эффективнее ножа без пластины. Тяговое сопротивление ножей с лобовой прижимной пластиной при резании почвенно-растительной массы снижается на 21...26 % по сравнению с ножом без пластины. Увеличение усилия прижимных пластин на разрезаемую соломистую массу от 0 до 80 Н при увеличение почвенного подпора с 0,49 до 2,35 МПа снижает работу резания на 27.. .49 %. При увеличении твердости почвенного подпора с 1 до

3 МПа работа на резание соломы в свободном, частично и полностью фиксированном состояниях уменьшается на 60,46 и 29 % соответственно.

11. При работе лущильника с углами атаки дисков 35° разница удельного сопротивления дисков шестиугольного и серийного круглого составила 6,5...7,4 % в пользу шестиугольного. При скорости агрегата (5...7,8)-0,277 м/с и резании массы соломы высотою 12-10"2 м путь резания у шестиугольного дискового рабочего органа в 5,4... 10,3 раза короче, чем у круглого.

12. Установлено, что шестиугольные сферические диски меньше отбрасывают и распыляют почву, соответственно на 8,7...10,4 % и 6,1. ..9,8 %; подрезают сорняки и пожнивные остатки на 99... 100 %, серийные на 92...99 %; шестиугольные диски лучше заглубляются в почву, чем серийные (круглые). Содержание наиболее ценных почвенных агрегатов размером 10-3 и 3-0,25 мм составляет, соответственно 26,4...29,0 и 35,7...37,3 % после обработки экспериментальными дисками и 24,9...27,2 и 34,4...36,5 % - после обработки серийными, содержание пылеватых частиц менее 0,25 в общей массе почвы составило, соответственно, 11,1... 16,7 и 13,7...19,4%.

13. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения плуга ПЛН - 4 — 35 с шестиугольными ножами составляет 27078,27 руб. (срок окупаемости 1 сезон); от внедрения лущильника ЛДГ - 15А, с шестиугольными дисками составляет 66333,64 руб. (срок окупаемости 1 сезон).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Новые дисковые ножи / Е. П. Огрызков, И. Д. Кобяков // Техника с сел. хоз-ве. -1982. - № 5. - С. 59.

2. Расход влаги из почвы в зависимости от зяблевой и ранневесенней обработки / 3. И. Порохяя, И. Д. Кобяков // Земледелие. - 2006. - № 2. - С. 20-21.

3. Влияние обработки почвы на её засорённость семенами сорняков / 3. И. Порохня, И. Д. Кобяков II Земледелие. -2006. - № 4. - С. 36-38.

4. Эффективность работы почвообрабатывающих орудий с экспериментальными дисковыми ножами / И. Д. Кобяков, 3. И. Порохня // Земледелие. - 2007. - № 1. - С. 46-47.

5. Новое почвообрабатывающее орудие / И. Д. Кобяков // Тракторы и с.-х. машины. - 2007. - № 7. -С. 10-11.

6. Исследование процесса резания почвы / И. Д. Кобяков // Достижения науки и техники АПК. -2007,-№9.-С. 30-32.

7. Влияние формы дисковых лезвий на защемление стеблей / И. Д. Кобяков // Тракторы и с.-х. машины.-2007.-№ 12. - С. 31-33.

8. Исследования работы плужного дискового ножа / И. Д. Кобяков // Техника в сел. хоз-ве. - 2008. - № 2. - С. 6-8.

9. Параметры многоугольного дискового ножа / И. Д. Кобяков, Е. Ю. Куприян // Тракторы и с.-х. машины. - 2008.-№ 3. - С. 34-35.

10. Влияние хода дискового ножа на деформацию почвы / И. Д. Кобяков // Достижения науки и техники АПК. - 2008.-№ 4. - С. 41-43.

11. Технология изготовления рабочих органов дисковых почвообрабатывающих орудий / И. Д. Кобяков И Техника в сел. хоз-ве. - 2008. - № 5. - С. 43-44.

12. Оптимизация работы шестиугольного дискового ножа / И. Д. Кобяков, A.C. Союнов // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 2008. - № 7. - С. 45-46.

13. Энергетика и качество работы почвообрабатывающего дискового ножа / И. Д. Кобяков // Достижения науки и техники АПК. - 2008. - № 7. - С. 48-49.

14. Чизельный плуг-рыхлитель для обработки солонцовых почв / И. Д. Кобяков [и др.] // Тракторы и с.-х. машины. - 2008. - № 8. - С. 13-14.

15. Лущильник с шестиугольными дисковыми рабочими органами / И. Д. Кобяков [и др.] // Тракторы и с.-х. машины. - 2008. - № 10. - С. 14-16.

16. Исследование шестилезвийного дискового рабочего органа почвообрабатывающих орудий / И. Д. Кобяков, А. С. Союнов // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 2008. - № 12. - С. 21-22.

17. Новое о дисковом ноже плуга / И. Д. Кобяков // Техника в сел. хоз-ве. - 2009. - № 2. - С. 14-15.

18. Взаимодействие лезвия ножа с разрезаемьм материалом / И. Д. Кобяков, А. С. Союнов // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 2009. - № 4. - С. 38-39.

19. О качестве обработки почвы дисковыми лущильниками /А.В. Евченко, И.Д. Кобяков // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2010. - № 2. - С. 53-54.

20. Качество обработки почвы дисковыми рабочими органами / И.Д. Кобяков // Тракторы и с.-х. машины. - 2010. - № 5. - С. 55-56.

21. Качество защемления почвенно-растительной массы многоугольными дисковыми рабочими органами / И.Д. Кобяков, А.С. Союнов, Е.Н. Миллер // Тракторы и с.-х. машины. - 2011. - № 5. - С. 46-48.

Авторские свидетельства, патенты и свидетельства на полезную модель

22. А. с. 604520 СССР, МКИ2 А 0 В 7/00. Почвообрабатывающее орудие / Е. П. Огрызков, И. Д. Кобяков (СССР). -№ 2194832/30-15; заявл. 01.12.75; опубл. 30.04.78, Бюл. № 16.-С. 3.

23. А. с. 686651 СССР, МКИ2 А 01 В 71/04, Р 16 С 25/04. Плужный дисковый нож / И. Д. Кобяков (СССР). - № 2581624/30-15; заявл. 10.03.77; опубл. 05.02.79. Бюл. № 35. - С. 4.

24. А. с. 1711690 СССР, МКИ5 А 01 В 7/00. Почвообрабатывающее орудие / Е. П. Огрызков, И. Д. Кобяков (СССР). - № 4746335/15; заявл. 05.07.89; опубл. 15.02.92, Бюл. № 6. - С. 3.

25. А. с. 1787335 СССР, МКИ5 А 01 В 21/08. Дисковая борона / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков (СССР). -№ 4886176/15; заявл. 28.11.90; опубл. 15.01.93, Бюл. № 2. - С. 4.

26. А. с. 1794327 СССР, МКИ5 А 01 В 15/18, А 01 В 15/16. Дисковый нож / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков (СССР). -№ 4843730; заявл. 25.08.90; опубл. 15.02.93, Бюл. № 6. - С. 3.

27. А. с. 1806481 СССР, МКИ5 А 01 В 7/00. Почвообрабатывающее орудие / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков (СССР). -№ 4905316/15; заявл. 28.01.91; опубл. 07.04.93, Бюл. № 13. - С. 3.

28. Пат. 2019933 Российская Фадерация, МПК5 А 01 В 7/00. Почвообрабатывающее орудие / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков; заявитель и патентообладатель Омский с.-х. ин-т им. С. М. Кирова. - № 4902482/15; заявл. 14.01.1991; опубл. 30.09.1994, Бюл.№ 18.-С. 12.

29. Свидетельство № 19248 РФ, МПК7 А 01 В 7/00. Почвообрабатывающее орудие / И. Д. Кобяков, Н. Я. Петере (РФ). - № 2001104195/20; заявл. 13.02.2001; опубл. 20.08.2001 // Изобретения. Полез, модели. - 2001. - Бюл. № 23. - С. 7.

30. Свидетельство № 21003 РФ, МПК7 А 01 В 35/20. Дисковый рабочий орган почвообрабатывающих орудий / И. Д. Кобяков, Н. Я. Петере, Е. П. Огрызков (РФ). - № 200111262/20; заявл. 07.05.2001; опубл. 20.12.2001 //Изобретения. Полез, модели. -2001. - Бюл. №35. - С. 9.

31. Свидетельство № 28310 РФ, МПК7 А 01 В 35/00. Дисковый рабочий орган почвообрабатывающих орудий / И. Д. Кобяков, Н. Я. Петере (РФ). - № 2002114166/20; заявл. 28.05.2002; опубл. 20.03.2003 // Изобретения. Полез, модели. - 2003. - Бюл. № 8. - С. 4.

32. Свидетельство № 28421 РФ, МПК7 А 01 В 35/20. Дисковый нож / Н. Я. Петере, И. Д. Кобяков (РФ). - № 2002116552/20; заявл. 21.06.2002; опубл. 27.03.2003 // Изобретения. Полез, модели. -2003. - Бюл. № 9. -С. 3.

33. Свидетельство № 28583 РФ, МПК7 А 01 В 7/00. Почвообрабатывающее орудие / И. Д. Кобяков, Н. Я. Петере, Е. П. Огрызков (РФ).-№ 2001130626/20; заявл. 16.11.2001; опубл. 10.04.2003 //Изобретения. Полез, модели. - 2003. - Бюл. № 10. - С. 9.

34. Патент на полезную модель № 45587 РФ, МПК А 01 В 7/00, А 01 В 15/16, А 01 В 15/18. Дисковый нож почвообрабатывающего орудия / И. Д. Кобяков, Е. Ю. Куприян, А. А. Дегтярёв; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Омский ГАУ. - № 2004134921/22; заявл. 29.11.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. № 15.-С. 18.

35. Патент на полезную модель № 58003 РФ, МПК А 01 В 7/00, А 01 В 15/16, А 01 В 15/18. Дисковое почвообрабатывающее орудие / С. Г. Макаров, П. В. Чупин, И. Д. Кобяков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Омский ГАУ. -№ 2006101587/22; заявл. 19.01.2006; опубл 10.11 2006 Бюл. № 31. — С. 19.

36. Патент на полезную модель № 58004 РФ, МПК А 01 В 63/111. Чизельный плуг рыхлитель / В. Ф. Клюстер, И. Д. Кобяков, Д. А. Голованов, П. В. Чупин; заявитель и патентообладатель ОНО ОКБ ГНУ СибНИИСХ. — № 2006118578/22; заявл. 29.05.2006; опубл. 10.11.2006, Бюл. № 31. - С. 19.

37. Патент на полезную модель № 68838 РФ, МПК А 01 В 15/18. Дисковый рабочий орган почвообрабатывающего орудия / Е. Ю. Куприян, И. Д. Кобяков, А. А. Дегтярев, В. В. Троценко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Омский ГАУ. - № 2007119928/22; заявл. 28.05.2007; опубл 10.12.2007, Бюл. №34.-С. 18.

38. Патент на полезную модель № 82508 РФ, МПК А 01 13 23/00. Рабочий орган дисковой бороны / А. С. Союнов, И. Д. Кобяков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Омский ГАУ. - № 2008144333/22; заявл. 10.11.2008; опубл. 10.05.2009, Бюл.№ 13.-С. 12.

39. Патент на полезную модель № 87859 РФ, МПК А 01 Ви35/20. Дисковый рабочий орган почвообрабатывающих орудий / А.С. Союнов, ИД Кобяков, Е.И. Кобякова; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Омский ГАУ.-№ 2009100697/22; заявл. 11.01.2009; опубл. 27.10.2009. Бюл. № 30.-С. 14.

Монографии и учебные пособия

40. Кобяков И. Д. Малая механизация для крестьянских (фермерских) хозяйств в Сибири: монография / И. Д. Кобяков; Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2000. - 256 с.

41. Кобяков И. Д. Сельхозтехника для крестьянских хозяйств: монография / И. Д. Кобяков; Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2002. - 320 с.

42. Кобяков И. Д. Книга для сельского хозяина: монография / И. Д. Кобяков. - Омск: Кн. изд-во, 2003.-444 с.

43. Кобяков И. Д. Новая сельскохозяйственная техника: монография / И. Д. Кобяков; Ом гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2004. - 180 с.

44. Кобяков И. Д. Новые почвообрабатывающие машины: монография / И. Д. Кобяков, П. В. Чупин; Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2006. - 200 с.

45. Кобяков И. Д. Почвообрабатывающая техника в полеводстве: монография / И. Д. Кобяков. -Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2008. - 232 с.

46. Кобяков И. Д. Сельскохозяйственная техника в полеводстве: прошлое, настоящее и будущее: монография / И. Д. Кобяков [и др.]. - Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2008. - 184 с.

47. Кобяков И. Д. Практикум по сельскохозяйственным машинам: учеб. пособие / И. Д. Кобяков, П. В. Чупин; Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2004. -128 с.

48. Кобяков И. Д. Лабораторный практикум по сельскохозяйственным машинам: учеб. пособие / И. Д. Кобяков [и др.]; Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2007. - 136 с.

49. Кобяков И. Д. Сельскохозяйственные машины: учеб. пособие / И. Д. Кобяков [и др.]; Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2007. - 248 с.

Статьи в сборниках научных трудов, журналах, информационных листках и других изданиях

50. Графоаналитическое определение деформации почвы при различной траектории движения дискового ножа / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков, Ф. И. Батурин // Вопросы механизации сельскохозяйственного производства: науч. тр. / Ом. с.-х. ин-т. - Омск, 1975. - Т. 141. - С. 57-59.

51. Вопросы энергетики плужного дискового ножа / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков, Ф. И. Батурин // Механизация сельскохозяйственного производства: науч. тр. / Ом. с.-х. ин-т. - Омск: ОмСХИ, 1976. -Т. 157.-С. 74-76.

52. Дисковый нож повышает качество обработки почвы / И. Д. Кобяков II Земля сиб. дальневост. -1976. -№ 9. -С. 51-52.

53. Установка для испытания плужных дисковых ножей / И. Д. Кобяков // Механизация сельскохозяйственного производства: науч. тр. / Ом. с.-х. ин-т. - Омск, 1977. - Т. 167. - С. 11-12.

54. Усовершенствование конструкции дискового плужного ножа / И. Д. Кобяков, П. С. Кустов, С. И. Чередник // Механизация сельскохозяйственного производства: науч. тр. / Ом. с.-х. ин-т. - Омск, 1978.-Т. 177.-С. 9-13.

55. Плужный дисковый нож / И. Д. Кобяков // Земля сиб., дальневост. - 1980. - № 3. - С. 44-45.

56. Эффективность использования шестиугольного дискового ножа для почвообрабатывающих орудий: информ. листок № 84-80 / ОмЦНТИ; сост.: И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков. - Омск: [б. и.], 1980. - 2 с.

57. Кобяков И. Д. Обоснование параметров и режимов работы дискового ножа (на примере плуга): ав-тореф. дис.... канд. техн. наук: 05.20.01 / Кобяков Иван Демидович. - Краснообск, 1986. - 16 с.

58. Новое о дисковом ноже почвообрабатывающих машин / И. Д. Кобяков, П. С. Кустов, С. И. Чередник // Земля сиб., дальневост. — 1987. - № 4. - С. 50-51.

59. Шестиугольные диски / И. Д. Кобяков//Земля сиб., дальневост, - 1987.-№ 12.-С. 21.

60. Программы расчётов по основам научных исследований сельскохозяйственных машин на микро-ЭВМ (Спец. 31.13.00)/сост.: Е. П. Огрызков, И. Д. Кобяков. - 2-е изд., доп. и перераб. - Омск, 1991.-32 с.

61. Новые почвообрабатывающие машины / И. Д. Кобяков // Земля сиб., дальневост. - 1993. - № 12. - С. 30-32.

62. Как усовершенствовать плуг, сеялку / И. Д. Кобяков // Земля сиб., дальневост. - 1993. - № 5-6. -С. 30-32.

63. Взаимодействие лезвия ножа с разрезаемым материалом / И. Д. Кобяков // Вестник ОмГАУ. -1997.-№3.-С. 37-38.

64. Унифицированный почвенный канал: информ. листок №49-98 / ОмЦНТИ; сост.: И. Д. Кобяков [и др.]. - Омск: [б. и.], 1998. - 4 с.

65. Способ изготовления рабочих органов дисковых почвообрабатывающих орудий / И. Д. Кобяков, Е. П. Огрызков, Н. Я. Петере // Совершенствование машин и оборудования в сельском хозяйстве Западной Сибири: сб. науч. тр. / Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск, 2001. - С. 15-18.

66. Новое почвообрабатывающее орудие / И. Д. Кобяков // Совершенствование машин и оборудования в сельском хозяйстве Западной Сибири: сб. науч. тр. - Омск: [б. и.], 2001. - С. 18-20.

67. Дисковые лущильники / Е. Ю. Куприян, И. Д. Кобяков // Сибирский фермер. -2004. - № 1. - С. 9-11.

68. Снижение энергоёмкости и повышение качества работы почвообрабатывающих машин / И. Д. Кобяков, Е. Ю. Куприян // Сибирский фермер. -2004. -№ 5. - С. 15-16.

69. Эффективность севооборотов и системы обработки почвы в борьбе с сорными растениями / 3. И. Порохня, И. Д. Кобяков // Сибирский фермер. - 2004. - № 8. - С. 14-15.

70. О некоторых геометрических характеристиках конического шестиугольного ножа / Е. Ю. Куприян, С. Д. Симонженков, И. Д. Кобяков // Естественные науки в ОмГАУ. Современное состояние и перспективы развития: сб. науч. ст. преподавателей и аспирантов / Ом. гос. аграр. ун-т. -Омск, 2005.-С. 17-22.

71. Повышения качества работы почвообрабатывающих машин / Е. Ю. Куприян, И. Д. Кобяков // Современные и перспективные технологии в АПК Сибири: Материалы междунар. науч.-пракг. конф. (Новосибирск, 8-9 июня 2006г.) / Новосиб. гос. аграр. ун-т, Инж. ин-т. - Новосибирск, 2006. - С. 68-69.

72. Дисковый рабочий орган почвообрабатывающих орудий: информ. листок № 52-023-07 / ОмЦНТИ: сост.: И. Д. Кобяков [и др.]. - Омск: [б.и.], 2007. - 2 с.

73. Рабочий орган дисковой бороны: информ. листок № 55-003-09 / ОмЦНТИ; сост.: А. С. Союнов, И. Д. Кобяков. - Омск: [б.и.], 2009. - 4 с.

74. Усовершенствованный дисковый лущильник / A.B. Евченко, И.Д. Кобяков // Сельский механизатор. - 2011.-№ 5. - С. 19

Подписано в печать 05.09.2012 г. Формат 60x84 V]6 _Объем 2 п.л. Заказ № 60. Тираж 100 экз.___

Отпечатано в ГНУ СибНСХБ Россельхозакадемии 630501, Новосибирская обл., пос. Краснообск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина

На правах рукописи

052СМ 35^091

КОБЯКОВ ИВАН ДЕМИДОВИЧ

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ШЕСТИУГОЛЬНЫХ ДИСКОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант — доктор технических наук, старший научный сотрудник Нестяк Вячеслав Степанович

Новосибирск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................5

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования..........................................11

1.1 Проблемы обработки почвы.......................................................................11

1.2 Характеристика дисковых ножей..............................................................15

1.2.1 Назначение дисковых ножей...................................................................16

1.2.2 Конструктивное исполнение дисковых ножей.....................................22

1.2.3 Влияние дисковых ножей на энергетические и качественные показатели работы почвообрабатывающих орудий......................................25

1.2.4 Обзор теоретических и экспериментальных исследований

работы дисковых ножей при обработке почвы..............................................31

1.3 Характеристика дисковых рабочих органов

почвообрабатывающих орудий........................................................................37

1.3.1 Общие сведения о рабочих органах.......................................................37

1.3.2 Теоретические и экспериментальные исследования

работы дисковых рабочих органов..................................................................50

1.3.3 Конструктивные и технологические особенности дисков...................57

1.4 Выводы, цель и задачи исследований.......................................................65

Глава 2. Механико-технологические основы работы шестиугольных дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий............................67

2.1 Влияние формы дискового рабочего органа

на защемление материала.................................................................................67

2.2 Взаимодействие лезвия ножа с разрезаемым материалом......................76

2.3 Исследование движения шестиугольного и круглого дисков................84

2.4 Влияние траектории движения дискового ножа

на деформацию почвы......................................................................................95

2.5 Качество обработки почвы шестиугольными дисками.........................110

2.6 Тяговое сопротивление дискового лущильника....................................118

2.7 Выводы.......................................................................................................123

Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований.............125

3.1 Приборы и оборудование.........................................................................125

3.2 Тарировка измерительных приборов......................................................140

3.3 Условия и методика лабораторно-полевых исследований

дисковых ножей...............................................................................................143

3.4 Планирование эксперимента и обработка опытных данных................144

3.5 Определение показателей работы плугов с ножами и без ножей........147

3.6 Методика проведения классического эксперимента

для дисковых рабочих органов лущильника................................................151

3.7 Методика проведения отсеивающего эксперимента.............................152

3.8 Методика планирования многофакторного эксперимента...................154

3.9 Сравнительные испытания экспериментальных и серийных

рабочих органов дискового лущильника......................................................158

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований.................................165

4.1 Результаты лабораторных исследований................................................165

4.1.1 Влияние формы лезвий серийных и шестиугольных ножей

на энергетические показатели........................................................................165

4.1.2 Влияние отклонения ножа от прямолинейного движения на

I

деформацию почвы, изменение сил и моментов, действующих на нож... 171

4.1.3 Изменение величины работы резания растительной массы

в зависимости от ее натяжения и способа фиксации...................................176

4.2 Результаты лабораторно-полевых исследований..................................187

4.2.1 Влияние дисковых ножей на энергетические и качественные показатели работы плуга................................................................................187

4.2.2 Влияние напряженного состояния почвенного пласта

на энергетические и качественные показатели............................................189

4.2.3 Влияние места установки дискового ножа

на энергетические показатели........................................................................192

4.2.4 Результаты исследования моментов вращения

круглого и шестиугольного ножей................................................................195

3

4.3 Результаты хозяйственных исследований..............................................198

4.3.1 Влияние шестиугольной формы лезвия ножа на качество

и производительность работы плуга.............................................................198

4.3.2 Влияние прижимной пластины вилки на качественные показатели работы ножа.................................................................................203

4.4 Результаты классического эксперимента дискового лущильника.......207

4.5 Результаты отсеивающего эксперимента...............................................210

4.6 Результаты планируемого эксперимента................................................212

4.7 Результаты сравнительных испытании экспериментальных

и серийных рабочих органов дискового лущильника.................................216

4.8 Сопоставление теоретических и экспериментальных данных.............220

4.9 Выводы.......................................................................................................223

5. Экономическая эффективность использования новых орудий..................225

5.1 Методика расчета эффективности работы нового орудия....................225

5.2 Экономическая эффективность применения плуга ПЛН-4-35

с шестиугольным дисковым ножом..............................................................228

5.3 Экономическая эффективность применения лущильника ЛДГ-15

с шестиугольными сферическими дисками..................................................231

Общие выводы и предложения..........................................................................234

Список использованной литературы.................................................................238

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Обработка почвы является важнейшим и наиболее энергоёмким элементом практически всех технологий возделывания сельскохозяйственных культур. На неё расходуется от 30 до 40% всей энергии, потребляемой в сельском хозяйстве.

Для обработки почвы широко применяются многочисленные конструкции плугов общего назначения, плоскорезов, дисковых почвообрабатывающих орудий, работающих в условиях различного технологического воздействия на почвенно-растительную массу. Подавляющее их большинство оснащено круглыми дисковыми рабочими органами, от работы которых зависят качественные и энергетические показатели работы указанных орудий.

Как показывает практика, унифицированная круглая форма диска не обеспечивает качественного резания растительных остатков в различных условиях их работы — почвенно-растительная масса практически не разрезается и сгруживается перед дисковыми рабочими органами. Это является основной причиной несоблюдения агротехнических требований к основной и поверхностной обработке почвы.

В результате увеличивается тяговое сопротивление почвообрабатывающих орудий, снижается производительность и качество их работы, нередко возникают отказы в работе, в том числе и полная неработоспособность.

Следовательно, повышение эффективности работы почвообрабатывающих орудий, оснащенных дисковыми рабочими органами, снижение энергоемкости и повышения качества основной и поверхностной обработки почвы является важной народно-хозяйственной и научной проблемой.

Гипотеза - Снижение энергозатрат и повышение качества основной и поверхностной обработки почвы почвообрабатывающими орудиями,

оснащенными дисковыми рабочими органами, может быть достигнуто за счет резания дисками почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии при условии надежного защемления разрезаемого материала.

Сущность научной проблемы заключается в отсутствии достаточных знаний для разработки теории резания почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии дисковыми рабочими органами почвообрабатывающих орудий.

Цель исследования - повышение эффективности работы почвообрабатывающих орудий, оснащенных дисковыми рабочими органами, снижение энергоемкости и повышение качества обработки почвы за счет резания дисками почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии и совершенствования конструкции диска.

Объект исследования: технологические процессы основной и поверхностной обработки почвы; технологические процессы работы дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий (на примерах плуга и лущильника).

Предмет исследования — закономерности процесса взаимодействия дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий с почвенно-растительной массой при её резании в напряженном состоянии.

Методы исследования. Теоретические основы резания почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии базируются на методах земледельческой механики; при разработке новых рабочих органов и орудий для основной и поверхностной обработки почвы применены методы классической механики; экспериментальные исследования и обработка полученных данных выполнены с использованием методов планирования, математической статистики и пакета прикладных программ на ПЭВМ; лабораторные и хозяйственные испытания проведены в соответствии с разработанными оригинальными методиками и требованиями действующих нормативных документов.

Исследования выполнены в соответствии с программой НИР ФГБОУ ВПО ОмГАУ на 2005-2010, 2010-2015 гг. по теме «Совершенствование технологических процессов зональных машин, повышение их агроэкологической эффективности» (номер государственной регистрации 01.2.00.102130), а также в соответствии с федеральными и областными целевыми программами, исполнителем которых является Министерство сельского хозяйства и продовольствия Омской области.

Научная новизна. Определены основные факторы, определяющие эффективность работы дисковых рабочих органов в различных условиях; установлено влияние формы и конструктивно-режимных параметров работы дисков на качественные и энергетические показатели работы почвообрабатывающих орудий; выявлены закономерности взаимодействия лезвия диска с почвенно-растительной массой в ненапряженном (естественном) и напряженном (растянутом) состоянии; проведена оценка энергозатрат и качества работы диска; разработана математическая модель взаимодействия лезвия шестиугольного диска с разрезаемым материалом; определена зависимость энергетики и качества работы плуга от места установки дискового шестиугольного ножа относительно рабочего корпуса плуга; получено уравнение регрессии качества резания почвенно-растительной массы от угла атаки, глубины обработки и расстояния между дисками по оси дисковых батарей лущильника.

Новизна конструктивно-технологических решений рабочих органов и орудий подтверждена 18 авторскими свидетельствами, патентами и свидетельствами на полезную модель.

Практическая значимость. Резание почвенно-растительного пласта в напряженном (растянутом) состоянии позволяет снизить энергетические затраты на 28 %, повысить качество обработки почвы и, в итоге, повысить урожайность зерновых на 6...10%; обоснованы параметры дисков шестиугольной формы, обеспечивающие защемление и резание почвенно-растительной массы в напряженном (растянутом) состоянии и экономию

материала при их изготовлении; разработаны орудия для основной и поверхностной обработки почвы с оборотом и без оборота пласта с дисковыми рабочими органами шестиугольной формы, обеспечивающие повышение качественных показателей и снижение энергетических затрат на основной (1820 %) и на поверхностной (6,5-7,4 %) обработке почвы. Опубликовано 7 монографий и 3 учебных пособия для подготовки инженерно-технических кадров.

Реализация результатов исследования. Материалы исследований одобрены и рекомендованы к внедрению научно-техническими советами Управления сельского хозяйства Омской области и Главного управления сельского хозяйства администрации Омской области. Шестиугольные диски использованы в ОКБ ООО «Омскагромаш» и в СКБ ОАО «Рубцовский машиностроительный завод». Чизельные плуги-рыхлители РН-4 прошли производственную проверку в хозяйствах Омской области, приемочные испытания в ФГУ «Сибирской государственной зональной машиноиспытательной станции» и внедрены в десяти районах Омской области, в других краях и областях РФ. Разработчики плуга-рыхлителя РН-4 с экспериментальными дисками (патент № 58004) за его создание удостоены Большой золотой медали на выставке-демонстрации «День Российского поля 2007» (Ростовская область), РН-4 в 2009 г. включен в список 100 лучших товаров России. Опытные образцы орудий с шестиугольными дисками широко внедрены в Омской области: плуги и плоскорезы - в 6 хозяйствах (1976...2008 гг.), лущильники - 9 хозяйствах (1998...2008 гг.). Экспериментальный двухсекционный дисковый лущильник с шестиугольными сферическими рабочими органами прошел приемочные испытания в ФГУ «Сибирской государственной зональной машиноиспытательной станции» (2007 г.) и получил положительную оценку. Материалы исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет».

На защиту выносятся:

• закономерности взаимодействия лезвия диска с почвенно-растительной массой в ненапряженном и напряженном (растянутом) состоянии в зависимости от формы лезвия дисков;

• зависимости тягового сопротивление и качества обработки почвы от места установки шестиугольных дисковых ножей на раме плуга;

• зависимости качества обработки почвы и тягового сопротивления дисков почвообрабатывающих орудий от угла атаки, глубины обработки и скорости движения агрегата;

® зависимости дальности отброса почвы дисками и структуры почвы от угла атаки, глубины обработки и скорости движения агрегата;

• математическая модель взаимодействия лезвия шестиугольного диска с разрезаемым материалом;

• приемы поверхностной и основной обработки почвы на основе резания почвенного пласта в напряжённом (растянутом) состоянии шестиугольными дисками;

• параметры шестиугольных дисковых рабочих органов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО ОмГАУ (1975 - 1979, 1983, 1986 - 2009 гг.), ОмПТИ (1981 г.), НГАУ (Новосибирск, 2006 г.), региональной научно-практической конференции «Проблемы и задачи АПК Сибирского Прииртышья в преддверии нового тысячелетия» (Омск. 1999 г.), НТС СКБ завода «Алтайсельмаш» (г. Рубцовск, 1982, 1986 г.г.), расширенных заседаниях лаборатории почвообработки (1985, 1986, 2006 г.г.) и докторского методологического семинара ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии (2010,2011 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 74

печатных работах (в том числе 7 монографий, 3 учебных пособия, 18 авторских

свидетельств и патентов РФ на изобретения и свидетельств на полезную

модель), из них 22 работы опубликованы в семи изданиях, рекомендованных

9

ВАК для докторских диссертаций. Общий объем публикаций 64 п. л., из них 51,8 п. л. - авторские.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 228 наименований, в том числе 11 на иностранном языке, и приложений. Работа изложена на 258 страницах машинописного текста, включает 28 таблиц, 115 рисунков, 45 приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Проблемы обработки почвы

Актуальность проблемы воздействия сельскохозяйственных машин на почву в конечном итоге на урожайность сельскохозяйственных культур с каждым годом возрастает. При обработке почвы в результате действия на почву ходовых систем тракторов, сельскохозяйственной техники и рабочих органов почвообрабатывающих машин уменьшается порозность почвы, увеличивается ее объемная масса.

Основными задачами механической обработки почвы является:

- сохранение и повышение плодородия почвы, защита ее от эрозии и создание условий для устойчивого зонального земледелия;

- изменение строения и агрегатного состава обрабатываемого слоя почвы с целью создания благоприятного для растений водного, воздушного, теплового и питательного режимов, обеспечения активизации микробиологических процессов, более мощного развития корневых систем культурных растений;

- очищение почвы от сорных растений, их семян и вегетативных органов размножения, а также возбудителей болезней и вредителей сельскохозяйственных культур.

Кроме основных задач, стоящих перед обработкой почвы, необходимо учитывать отдельные частные задачи, например заделка в почву растительных остатков, удобрений, сохранение стерни на поверхности почвы, изменение формы поверхности поля, создание условий для посева и прорастания семян к�