автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров рабочих органов культиватора-плоскореза для основной обработки пересушенных почв

РГ6 Ой г 3 ИЮН 1997

ТАВРИЧЕСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ПЕТРИЧЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 631.316.022

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КУЛЬТИВАТОРА-ПЛОСКОРЕЗА ДЛЯ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПЕРЕСУШЕННЫХ ПОЧВ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мелитополь, 1997

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Таврической Государственной агротехнической академии

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Смирнов Владислав Дмитриевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - институт механизации и электрификации

сельского хозяйства УААН

на заседании специализированного ученого Совета К 33.01.01 при Таврической Государственной агротехнической академии ( 332339, г. Мелитополь, пр-т Б.Хмельницкого 18, ТГАТА ). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГАГА.

Автореферат разослан "УГ" ^аМ 1997 Г. Учений секретарь специализи-

Бабицкий Леонид Федорович;

кандидат технических наук, доцент Шевченко Игорь Аркадьевич.

Защита■состоится иЮНЯ 1997 года в часов

рованного ученого Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ, АКТУАЛЬНОСТЬ И СТЕПЕНЬ ИССЛЕДОВАННОСТИ ТЕМАТИКИ

Одам из главных факторов, повышащих продуктивность земледелия является почвенное плодородие, рассматриваемое современной наукой как категория регулируемая, и регулирование это в значительной степени связано с применением механической обработки.

В южной степной зоне Украины наиболее рациональной и научно обоснованой является безотвальная плоскорезная обработка. Однако существующие технологии и рабочие органы культиваторов-плоскорезов зачастую оказываются неработоспособными при обработке подсу-шеных и пересушеных почв. Поэтому в большинстве хозяйств региона юга Украины в засушливые годы почва либо не обрабатывается вовсе, либо оставляется на зиму после вспашки в крупноглыбистом состоянии, что приводит к увеличению потерь почвенной влаги в зимне-весенний период и является причиной развития эрозионных процессов.

Это делает актуальными исследования, направленные на дальнейшее совершенствование существующих и разработку принципиально новых, более экономичных почвозащитных технологий и средств обработки почвы.

Результаты исследований легли в основу методики проектирования рабочих органов для безотвальной обработки почвы к культиватору-плоскорезу типа КПШ.

Настоящая работа выполнена с 1990 по 1996 год в Таврической Государственной агротехнической академии.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью исследования является обоснование конструктивных параметров и разработка методики проектирования рабочих органов культиватора-плоскореза для безотвальной обработки тяжелых пересушен-

них почв. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Разработка и обоснование элементов рабочего органа, обеспечивающих воздействие на почву, приводящее к одновременному образованию в зоне контакта нескольких микротрещин с различной их ориентацией в пространстве и к замене деформаций сжатия деформациями растяжения и изгиба.

2. Разработка конструкции рабочего органа для обработки пересушенных почв, обеспечивающего качество крошения в соответствии с агротехническими требованиями при снижении энергозатрат.

3. Проведение сравнительных испытаний с целью определения работоспособности и эффективности применения нового рабочего органа при обработке пересушенных почв.

4. Технико-экономическая оценка целесообразности применения спроектированного рабочего органа для основной обработки пересушенных почв юга Украины.

ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО НАУЧНОЙ НОВИЗНЫ

Теоретическую ценность имеют методика физического моделирования процессов деформации почвы в зависимости от ее реологических характеристик и методика определения характера распределения и величины контактных давлений на границе "элемент зубового рабочего органа - почва".

Практическая ценность исследования заключается в обосновании основных параметров и разработке методики проектирования рабочих органов для основной обработки пересушенных .почв юга Украины, обеспечивающих качество обработки в соответствии с агротребовани-ями при снижении энергозатрат.

Научную новизну имеют:

- уточненная реологическая модель почвы - тело Шведова-Кельвина и ее анализ при различных условиях нагружения;

- методика определения характера распределения и величины контактных давлений на границе "элемент зубового рабочего органа-почва"

- обоснование формы поверхности и методика построения долота и продольных сечений плоскорежущего рабочего органа в зависимости от типа и состояний почвы;

- обоснование шага расстановки зубьев рабочего органа;

- результаты экспериментальных исследований предложенного рабочего органа в сравнении с серийным плоскорезом.

УРОВЕНЬ РЕАЛИЗАЦИИ, ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК

По результатам выполненных исследований были изготовлены рабочие органы для основной плоскорезной обработки пересушенных почв, которые успешно прошли научно-производственные испытания и внедрены в производство в КСП им. Фрунзе Мелитопольского района Запорожской области.

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ, СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы одобрены на научных конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Таврической Государственной агротехнической академии (г.Мелитополь, 1993-1996 г.г.) и на первом республиканском научно -техническом семинаре по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережении (г.Мелитополь, 1995 г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной

работы опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографии и приложений. Изложена на 182 страницах, в том числе 118 страниц машинописного текста; содержит 63 рисунка, 7 таблиц, и б приложений. В списке литературы 152 наименования, из них 4 на иностранном языке.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, ВЫНОСИМЫХ НА ЗАЩИТУ

В ходе выполнения работы автором лично получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Зависимости для определения модуля деформации почвы при различных условиях нагружения для различных по типу и состоянию почв.

2. Зависимость для определения характера распределения и величины контактных давлений на границе "элемент зубового рабочего органа - почва".

3. Методика построения долота и продольных сечений плоскорежущего рабочего органа в зависимости от типа и.состояния почвы;

4. Методика построения рыхлящей поверхности плоскорезного рабочего органа.

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОЛОГИИ, МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРЕДМЕТА И ОБЪЕКТА

Методология исследования - анализ условий разрушения почвенного пласта при воздействии на него деформатора со сложной поверхностью рыхления.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического и физического моделирования, законов теоретической механики, сопротивления материалов и

механики сплошных сред. Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях с применением тензометрирования. Результаты исследований обрабатывались с использованием методов математической статистики на ЭВМ.

Предмет исследования - взаимодействие плоскорезного рабочего органа с почвой при ее обработке.

Объект исследования - процесс плоскорезной обработки пересушенных почв.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введении отмечены актуальность темы и общая направленность работы.

Глава 1.Современное состояние вопроса и задачи исследований. На основании литературных данных приведены основные задачи и современные тенденции развития систем обработки почвы, доказаны преимущества применения плоскорезов при основной обработке почв юга Украины, сформулированы наиболее общие предпосылки к применению почвозащитного бесплужного земледелия и преимущества, которые дает эта система обработки почвы по сравнению с традиционной.

При анализе конструкций культиваторов и рабочих органов для плоскорезной обработки почв, на основании изучения литературных источников и материалов публикаций, а также проведенного патентного поиска, было установлено, что применяющиеся в настоящее время рабочие органы для плоскорезной обработки почв оказываются малоэффективными при обработке подсушенных и пересушенных почв. Для улучшения качества крошения почвы неоднократно осуществлялись попытки совершенствования рабочих органов для плоскорезной обработки. Среди них необходимо отметить разработки культиваторов-плоскорезов с переменным углом наклона лезвия ко дну борозды (Мале-

ев М.К.), конструкции рабочих органов с криволинейными профилями как в продольно-вертикальных так и в поперечно-горизонтальных плоскостях (Марченко А.Г., Кириченко А.К., Бабицкий Л.Ф.). Особого внимания в этом плане заслуживают конструкции ступенчатых рабочих органов (Кушнарев A.C.. Шевченко И.А., Родионов H.H., Шанина З.М., Прокопов О.И.), которые отличает повышенное качество крошения почвы. С этой же целью к серийным рабочим органам предлагались дополнительнее в виде различных приспособлений (Третьяков А.И., Гуков Я.С., Любимов А.И., Гаюнов Х.Е., Шеметов H.A., Федоров В.А., Попов В.В., Завражнов A.A. и многие другие). Все эти элементы, как правило, выполняли свои функции и улучшали качество обработки, однако при этом существенно возрастало тяговое сопротивление рабочих органов и орудия в целом.

Созданные таким образом разновидности орудий для плоскорезной обработки почв не нашли широкого применения, а многие оказались и вовсе неработоспособными при обработке пересушенных почв.

Анализ существующих технических средств для плоскорезной обработки почвы дает возможность сделать заключение о необходимости улучшения параметров и обоснования конструктивных элементов рабочих органов культиваторов-плоскорезов, работающих в засушливом регионе юга Украины.

Глава 2. Теоретические предпосылки процессу воздействия плоскорежущего рабочего органа на почву. Результаты исследований по проблемме обоснования параметров рабочих органов изложены в работах Гячева A.B., Василенко П.М., Подскребко Н.Д., Любимова A.M., Виноградова В.П., Бурякова A.C., Поликутина Н.Г. и многих других. В основу многих работ по изысканию оптимальных параметров рабочих органов положены методы теоретической механики.

Экспериментальные исследования Кушнарева A.C., Баукова A.B., Смирнова В.Д., Рожкова П.Н., Шаниной З.М., Шевченко И.А. и других авторов показали, что перед рабочим органом на границе рабочий орган - почва создаются поля напряжений и деформаций. Задачи контактного взаимодействия при таких условиях невозможно решить, применяя лишь методы теоретической механики. Здесь уже необходимо применять методы механики сплошных сред, позволяющие установить поля напряжений и деформаций в почве перед рабочим органом, зоны трещинообразования, характер отделения и движения сколотого блока почвы, определить уравнение деформирования почв, применить моделирование .

Представив почву сплошной, однородной, квазиоднофазной, изотропной средой, опишем ее поведение при деформации растяжение (сжатие) телом Шведова-Кельвина (рис.1), как наиболее приемлемым. Эта модель состоит из шести элементарных тел, обладающих свойствами упругости (Н1, Н2 и НЗ), вязкости (N1 и N2) и пластичности (SV), и ее структурная формула будет имеет вид

SW-K = K- H- (M|SV) = H|N - Б - [(Н - N) |Sv] . (1)

Предложенная модель описывает поведение почвы при деформации до предела прочности не телом Гука, как модель Шведова, и не телом Максвелла,как модель Шведова-Ньютона, а обобщенным упруго-вязким телом, что дает ей ряд существенных преимуществ перед этими моделями. В частности модель почвы тело Шведова-Кельвина учиты-

бз; £э; Сз

Рис. 1. Реологическая модель почвы для деформации растяжение (сжатие).

вает нелинейность зависимости изменения скорости деформации почвы во времени при постоянной нагрузке и описывает процессы последействия и релаксации напряжений.

Уравнение состояния модели почвы тела Шведова-Кельвина при нагрузках, не превышающих предел прочности почвы, имеет следующий

вид

do de

о + Тр— = Ее + ET—— • (2)

R dt œ ° R dt

где о - напряжение;

e - величина деформации; E0E1

E ---обобщенный модуль упругости;

Е0 + Е,

Т„ = ----период релаксации напряжений;

Е0 + Е,

Е1 и Е0 - соответственно модули упругости первого и второго

упругих элементов; ц - коэффициент вязкости вязкого элемента. При постоянной нагрузке a=const уравнение (2) преобразуется в уравнение упругого последействия, а при e=const в уравнение релаксации.

За пределом прочности почвы, когда о > |гз|, в работу вступает вторая часть модели и тогда уравнение состояния принимает следующий вид

E0 + E1 EiGt + ^ ■ , Eo + G do ds E,

-о + - a -|T | + - — = — + — e, (3)

E^ цт] L 3 J E0G dt dt [J.

где т] - коэффициент сдвиговой вязкости;

G - модуль сдвига.

При сдвиговой деформации поведение почвы характеризуется

сдвиговым телом Шведова-Кельвина (рис. 2).

Рассмотрим часть модели (рис.1), описывэющую состояние поч-

Н1

С,

'\Агп

Ш

г Ш, А А'"

г?М

Я2

^ЛН

:'; с"; Сг

та

вы при нагрузках, не превышающих ^ предел прочности почвы.

г А,

Са); £г)

Эта часть модели представляет собой обобщенное упруго-вязкое тело, состоящее из последовательного соединения тел Кельвина и Гука. Формула

для определения модуля деформации Рис.2. Реологическая модель этой части модели будет шеть ввд

почвы для сдвиговой

ЦЕ0 + Е0Е*

и

; Сз; £а

деформации.

62

Еа, + Ео

ел + Ег + р.

где 1 - время деформации.

Аналогично для сдвиговых деформаций (рис. 2)

а2

+ С0

с0г + о^ + т?

Еа2 + Саз

V + ЕоЕг

Е0г + Ег + ц

Ст|

• (Т I

I Т-о I

I О I

Т] + (И

са2сс1з С<Ц> + С*3

V + Е0Е* Е0г + Ег + ц

С0Т1 + с0с,г

с0г + +

СТ)

т] + в 1;

г) + вг

с0т) + с0с,г

Су

I »о I

I БI

(4)

(5)

За пределами прочности эти формулы примут следущий вид

(б)

(Т)

с0г + с1 г + т) т) + вг где ей - величина деформации.

Пользуясь формулами (4) и (5) можно определить модули де-

формации реологических моделей почв, работающих на сжатие и на сдвиг при монотонно изменяющихся нагрузках до предела прочности. Формулы (б) и (7) позволяют найти модули деформации реологических моделей почв, работающих на сжатие и на сдвиг при монотонно изменяющихся нагрузках за пределом прочности почвы.

Полученные зависимости для модуля деформации и модуля сдвиговой деформацщ можно использовать в задаче контактного взаимодействия рабочего органа культиватора-плоскореза с почвой, представив последнюю на основании анализа реологической модели в виде линейно-деформируемой среды и перенеся на нее решения, которые известны из теории упругости.

Рассмотрим взаимодействие элемента зубового рабочего органа с линейно-деформируемым полупространством. Для того чтобы иметь пространственное представление о распределении и величине напряжений на границе почва - рабочий орган, воспользуемся плоским решением в двух взаимноперпендикулярных плоскостях.

В вертикальной плоскости, параллельной направлению движения, взаимодействие рабочего органа с почвой в определенном приближе-

■ нии можно рассматривать как взаимодействие клина с упругим

г

полупространством (рис. 3). В общей постановке уравнение плоской контактной задачи при

о

у наличии сил трения для линейно -деформируемой среда имеет вид

а

а

Рис.3. Схема взаимодействия ра-

(П

Ртси Р(Шп

г -

о

о

вертикальной плоскости.

= уг^) ,

(8)

где

P(t)

неизвестная функция, которую необходимо определить

внутри интервала . (0;а);

с - 1,(2) - r2(z)

•. f(z) =

и, +иг

(9)

где í(z) - функция, заданная внутри интервала (0;а); с - некоторая постоянная;

U,. U2 - упругие перемещения точек первого и второго тел в

области контакта, относительно оси Y;

2 2 U. -- (1- ; (Ю)

* Е

d.1

U, =

* Е

И- М *

(11)

'd2

где Е41 и Е^ - соответственно модули дефэрмации для стали и почвы;

и - соответственно коэффициенты бокового расширения для стали и для почвы; <0, + иг> 0«°«

v. =

Vе« + Саг>

(12)

где Gd1 и G^

Рис.4. Схема взаимодействия рабочего органа с почвой в горизонтальной плоскости.

соответственно модули сдвиговой деформации для стали и почвы; К^, - коэффициент трения почвы по стали.

В горизонтальной плоскости поверхность рабочего органа представляет собой участок косинусоида. При таких условиях основное уравнение плоской контактной задачи без учета сил

трения для линейно-деформируемой среды примет следующий вид

b

fp(t)ln -dt = Г(х), (13)

J t - г -b

где p (t) - неизвестная функция, которую необходимо определить на

промежутке (-b;b);

Г(х) - функция, заданная внутри интервала (~b;b).

С - Г,(Х) - f2(X) НХ) = - , (14)

и, +иг

где С - некоторая постоянная.

Решив уравнения (8) и (13) и объединив эти решения, получим выражение для определения давлений по поверхности контакта элемента зубового рабочего органа с почвой

2К / Ь2 - х2 ct«W ,/г-ф

P(X,Z) = -—Z-Ъ- 31П(ТСФ)С03(1СФ)

*Vu2

(a+z)'

1с

| (a-z)1/2+®j<p(z)lnj-—-j+ N4z4+ N3z3+ N2z2+ N,z N0j - lj, (15)

f a + t I® dt. , 1

\це ф(г) =- — ■■■ -- ф(О) + ф(0)а + — *

I а - t J - z) 2

« ф(0)г2 + — (p"(0)z3 + — 9lv(0)z4; 6 24

N_ = ф(0)а + — ф(0)а2 + —- ф"(0)а3 + ф1,Г(0)а4; ° 4 18 48

1 ' 1 " 2 1 lv A

N - -ф (0)a--Ф (O)a + -ф (0)a ;

1 2 18 72

4 " 1 w я 1 ^ N. = — ф (O)a + -ф11Г(0)а'г; « = — arctg-

2 9 48 ic 1-й.

1 1 7

N = — Ф"(0) + -ф1'(0)а; N =--фг'(0).

3 18 24 4 72

Ъ2

Уравнение (15) позволяет определить характер распределения давлений по поверхности элемента рабочего органа во время обработки почвы и выйти, таким образом,на его оптимальные параметры. На рис.5 приведены изобары контактных давлений на поверхности элемента рис>5> Изо0ары контактных зубового рабочего органа. давлений.

Задача о выборе рациональной формы рабочих органов культиваторов решается на принципах и методах механики сплошных сред, при этом почва рассматривается как сплошная кусочно-линейно деформируемая среда. Существует два основных метода решения предельного состояния таких сред. Аналитический - сводится к численным методам решения дифференциальных уравнений предельного состояния. Из эмпирических методов более близкое с аналитическими дает метод Одэ. Используя этот метод, можно получить оптимальную форму части профиля рабочего органа, служащей для отрыва пласта, в виде логарифмической кривой, в уравнение которой входят два основных параметра: г0 - начальный радиус-вектор, однозначно связанный с глубиной обработки, так как полюс при построении кривой выбирается на дневной поверхности почвы, и ф - угол внутреннего трения почвы, зависящий только от типа и состояния почвы.

Известно, что наиболее равномерное распределение контактных давлений при внедрении в почву создает деформатор, выполненный в виде параболы четвертого порядка вида у = б., хл, где коэффициент растяжения ординат. Таким образом, выполнив продольные профили рабочего органа в виде участков логарифмической спирали плавно

переходящей в параболу четвертого порядка для соединения с тыльной поверхностью рабочего органа, можно добиться одновременного образования в почве при обработке нескольких микротрещин с различной их ориентацией в пространстве,что позволит значительно повысить качество крошения. При этом, коэффициент растяжения ординат б,, входящий в уравнение параболы, определяется графо-анали-тическим методом при построении, отдельно для каждого органа.

Исходя из того, что долото рабочего органа взаимодействует с почвой по всей глубине обработки, а влажность почвы в зависимости от глубины изменяется, что влечет за собой изменение фрикционных свойств почвы, боковой профиль долота рабочего органа было решено выполнить по логарифмической кривой с переменным углом трения. При этом формула для построения выглядит следующим образом

(е.- ен)(А + вн. + сф - 1 н с 4 . (1б)

где гтах= 110/соз 6Н - максимальный радиус логарифмической кривой;

- текущий полярный угол, (-70°...8Н);

6Н = 3/2(^-45° - угол наклона гтдх к вертикали;

А, В, С - коэффициенты, определяемые для каждого типа почвы по экспериментальным данным;

- глубина слоя почвы.

При работе такого долота на его поверхность действуют элементарные силы трения, направления которых определяются величиной угла трения в точках их приложения. При этом, вследствии того, что логарифмическая кривая, определяющая боковой профиль долота, строится с учетом направления этих сил, подстраиваясь под форму почвенных сколов, существенно снижается энергоемкость процесса обработки почвы и не происходит уплотнения дна борозды.

Общеизвестно, что наибольшее сопротивление разрушению почва

оказывает при деформации сжатия. Почти все почвы имеют предел прочности на сжатие на порядок выше, чем на растяжение и.изгиб. Следовательно, крошение почвы желательно производить путем обеспечения знакопеременного деформирующего воздействия, создащего деформации растяжения и изгиба, что будет способствовать снижению энергоемкости процесса и улучшению качества обработки почвы.

Знакопеременное деформирующее воздействие на почву можно обеспечить, выполнив рабочую поверхность по ширине захвата волнистой, в виде участка синусоида. На всей протяженности волнистой поверхности рабочего органа пласт почвы под воздействием знакопеременных нагрузок и изгибающего момента разрушается деформацией разрыва и сдвига, за счет того, что различные элементы почвенного пласта движутся по поверхности рабочего органа по разным траекториям, с различными скоростями и ускорениями. Поэтому, имея сложную поверхность рабочего органа, выполненную в виде выступов и впадин, можно значительно увеличить его крошащую способность при снижении энергоемкости процесса обработки.

Кроме того, лезвие плоскорежущего рабочего органа целесообразно выполнить в виде ступеней или зубьев, что позволит кавдой последующей ступени производить полублокированное резание почвы, то есть с одной открытой боковой стенкой, и создавать в почве дополнительные напряжения, повышающие интенсивность ее крошения.

По данным Шевченко И.А., расстояние мевду ступенями, соответствующее их минимальному тяговому сопротивлению должно быть равно длине предельного пути смятия почвы. То есть данный параметр зависит как от формы поверхности рабочего органа и глубины обработки, так и от состояния почвы. Максимальное расстояние между зубьями можно определить из условий полублокировочного резания и обеспечения выравненного дна борозди по выражению

ь

н

- • *е ен •

(17)

где 6Ь - угол, определяющий положе ¡ше радиус-вектора логарифмической кривой в точке выхода ее на поверхность дна борозда, определяется графическим построением;

6Н - начальный угол построения логарифмической кривой.

Глава 3. Проектирование и изготовление рабочих органов для обработки пересушенных почв. В соответствии с теоретическими предпосылками, изложенными во второй главе, расчитаны исходные данные и приведены методики проектирования рабочих поверхностей зубовых и ступенчатых рабочих органов для основной обработки пересушенных почв. При проектировании, два типа рабочих органов, предназначенных для работы в самых тяжелых по пересушке условиях, для обеспечения заглубляемости и повышения равномерности хода по глубине было решено выполнить с ярко выраженными зубьями. Остальные рабочие органы проектировались ступенчатыми.

Проектирование рабочей поверхности плоскорезной лапы производилось графо-аналитическим методом и состояло из двух этапов. На первом выполнялось плоское построения проекции лезвия (рис.б). Для объемного построения бралась часть плоского крыла АВ (рис.7) разделенная на равные промежутки сечениями параллельными осевой линии. Выбирались места максимальных и минимальных, профилей. Максимальные профили выполнялись по логарифмической кривой, плавно переходящей в параболу четвертой степени. Минимальные образовывались задней поверхностью и плоскостью, проходящей под углом 21° к поверхности почвы. Поверхность крыла между максимальным и минимальным сечениями представляет собой совокупность разверток окружностей, диаметры которых определяются разницами между максимальным и минимальным сечениями в соответствующих плоскостях.

Рис.6. Схема построения плоской поверхности зубового рабочего органа с углом при вершине 100°.

Рис.8. Зубовый рабочий орган с углом при вершине 100°.

Параметры рабочих органов

Рис.7. Схема построения объемной поверхности зубового рабочего органа с углом при вершине 100°.

Для отливки рабочих органов были изготовлены пять моделей с параметрами, приведенными в таблице 1. В модели были заложены литейные уклоны и места с резьбовыми отверстиями для обеспечения возможности извлечения моделей из опоки.

Таблица 1

Параметр РО N1 РО N2 РО N3 РО N4 РО N5 РО N6 серийный

Максимальная высота подъе-

ма ступени, мм 55 77 61 67 93 -

Перепад между выступами и

впадинами, мм 30 50 30 40 50 -

Угол при вершине РО, град. 100 75 75 75 55 75

Число ступеней, шт. 3 3 4 5 4 -

Угол внутр.тр. почвы,град. 30 30 45 35 45 -

По изготовленным таким образом моделям из стали 40Л оыли сделаны отливки и произведен их отжиг. Далее следовала доработка отливок. Обрезались литники, сверлились крепежные отверстия, производилась наплавка режущей кромки ножей сормайтом для обеспечения их самозатачиваемости. Поверхность рабочих органов освобождалась от остатков формовочной смеси и технологических наплавов и окрашивалась.

Глава 4. Методика экспериментальных исследований.

После отливки и доработки рабочих органов, было решено провести их сравнительные испытания. Целью испытаний являлось определение возможности обработки пересушенной почвы на глубину до 20 см. Причем, в связи с тем, что при проектировании в конструкцию рабочих органов были заложены различные параметры реологических свойств почвы, в задачи испытаний входило также определение наилучшего из них для условий, создавшихся на момент обработки, путем сравнения тяговых усилий, качества крошения почвы, степени уплотнения дна борозды и процента сохранения стерни.

Для проведения испытаний рыхлительных рабочих органов был выбран необработанный участок с почвой, не имещей пестроты включений почвенных разностей.Размеры участка 1500 метров длиной и 60 м шириной. Влажность, плотность и пересушка почвы по горизонтам, с учетом влажности спелой почвы 28,2 % представлена в таблице 2.

Таблица 2

Характеристика почвы

Показатели Горизонты почвы, см

0...10 10...20 20...30 30...40

Влажность почвы, % 9,9 10,2 10,4 10,5

Пересушка, % 65 64 63 63

Плотность почвы, г/см2 1,1 1,22 1,30 1,32

Для получения максимума информации испытания проводились на оазе 2-х факторного планирования экспериментов для шести рабочих органов: пяти экспериментальных и одного серийного плоскореза типа КПШ по стандартной методике. В соответствии с планом эксперимента участок был разбит на 54 делянки по числу взаимодействия варьируемых факторов и каждая делянка была разделена на 4 сектора по числу повторностей.

Таблица 3

Уровни исследуемых факторов и интервалы их варьирования

Обозна- Факторы Уровни варьирования

чение - 1 0 + 1

Х1 Глубина обработки, см 10 15 20

хг Скорость движения агрегата, м/с 2 2,5 3

Оценку реологической модели почвы было решено производить по критерию Фишера путем сравнения численных значений модуля деформации, расчитаных по модели в зависимости от состояния почвы, со значениями, определенными экспериментально.

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований.

Проведенные сравнительные испытания рабочих органов показали, что при сложившихся на момент испытаний условиях серийные органы оказались практически неработоспособными на скоростях свыше 2 м/с. Агрегат, укомплектований этими органами, в процессе работы испытывает большие динамические нагрузки, толчки передаются на трактор, что отрицательно сказывается на работе двигателя, он с трудом выдерживает заданный реким, ухудшаются условия работы механизатора. Экспериментальные рабочие органы работают в устойчивом режиме на всем исследуемом диапазоне скоростей и глубин обработки.

При обработке результатов эксперимента оказалось, что тя-

ас

говое усилие возрастает прямо-пропорционально глубине обработки. Увеличение скорости обработки приводит к росту тяго-

Рис.9. Зависимость тягового уси-

вого усилия на всех экспериментальных рабочих органах. На серийном же, вследствии того, что он работает в неустойчивом режиме, а прибор иМорион-2я, при-

лия от скорости обработки. менявшиЯся

для регистрации тя-

гового сопротивления, не в состоянии уловить резкие всплески изменения регистрируемой величины, отмечается тенденция к снижению тягового усилия.

В связи с тем, что показатели сохранения стерни и уплотнения дна борозды (табл.4) близки по значению у различных рабочих органов и изменяются в пределах ошибки эксперимента, определение наилучшего из представленых рабочих органов для условий, сложившихся на момент проведения испытаний, было решено производить по качеству крошения и величине тягового сопротивления.

В соответствии с агротребованиями для стерневой безотвальной обработки глыбистость почвы после прохода рабочих органов не должна превышать 20 %. Под данное требование подходят рабочие органы N1 —N4. Из них минимальное тяговое сопротивление имеет рабочий орган N1. При глубине обработки 20 см и скорости 2 м/с он выигрывает у рабочего органа N2 около 20 %, а у рабочих органов N3 и N4 до 35 % тягового усилия (табл.4).

Таким образом, при условиях, сложившихся на момент испытания, предпочтение по оцениваемым показателям можно отдать рабочему органу N1, который проектировался для сходных условий, что

может служить подтверждением правильности разработанной методики проектирования. Этот рабочий орган можно рекомендовать по тяговому усилию для установки на культиватор КПШ-5 в составе агрегата с трактором Т-150К в условиях 50 % и более пересушки почвы. При этом такой агрегат способен обрабатывать почву на глубину до 20 см при скорости до 3 м/с.

Таблица 4

Результаты сравнительных испытаний рабочих органов

Номер РО Глыбистость, проц.,при =20см,У=2 м/с Плотность дна борозды, г/см3 Сохранение стерни, проц. Тяговое усилие, кН, при 1г=20 см, 7=2 м/с.

1 13 1,28 51 26

2 9 1,31 60 33

3 11 1,30 51 40

4 19 1,30 50 41

5 24 1,35 50 36

б 28 1,35 56 45

В результате обработки данных экспериментов с образцами поч-

вы - чернозема южного среднесуглинистого были получены численные значения параметров, входящих в формулы, для определения теоретических значений модуля деформации и модуля сдвиговой деформации в зависимости от влажности почвы. Параллельно с образцами этой же почвы были проведены опыты с целью определения экспериментальных значений модулей деформации и модулей сдвиговой деформации при различных значениях влажности почвы. По найденным в результате двух независимых серий опытов данным была произведена проверка гипотезы об адекватности модели по критерию Фишера. Полученное в результате расчетов значение критерия Р=13,6 оказалось меньше табличного Ркр= 19,3 на 5 % уровне значимости, следовательно можно сделать однозначный вывод об адекватности модели.

Глава 6. Технике - экономическая эффективность применения экспериментальных рабочих органов для плоскорезной обработки пересушенных почв.

Расчет экономической эфективности применения экспериментальных рабочих органов производился в денежном выражении и энергетическом эквиваленте без учета улучшения качества крошения почвы. Расчетный годовой экономический эффект от применения культиватора КПШ-5 с комплектом экспериментальных рзбочих органов в условиях КСП им.Фрунзе Мелитопольского района Запорожской области составил в денежном выражении - 3402 грн., или при расчете с применением энергетических эквивалентов - 108,7 Г1)ж. Экономический эффект получен благодаря обеспечению возможности работы орудия на повышенных скоростях за счет снижения тягового сопротивления на 40 %. При этом производительность агрегата увеличилась в 1,5 раза, эксплуатационные затраты снизились на 18 %.

ВЫВОДЫ и ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следувдие вывода и предложения:

1. Существующие рабочие органы для основной безотвальной обработки оказываются либо вовсе неработоспособными при обработке тяжелых пересушенных почв,либо недостаточно крошат почву (глыбистость превышает допустимую по агротребованиям) и имеют высокое тяговое сопротивление.

2. При проектировании почвообрабатывающих рабочих органов, почву с вероятностью 95 % можно представить в виде модели Шведова-Кельвина, дающей наглядное представление о характере протекания процесса деформации почв при различных условиях нагружения.

3. Теоретически обоснована форма долота и продольных профилей в виде кривой, копирующей линию скола блоков почвы при ее обработке,

и шаг расстановки зуоьев рабочего органа культиватора-плоскореза с учетом физико-механических свойств почвы.

4. Предложены методики проектирования и построения рабочей поверхности рыхлительной лапы, на основании которых можно конструировать рабочие органы для основной обработки пересушенных почв в соответствии с предполагаемыми условиями их работы.

5. Для повышения качества крошения и снижения энергоемкости процесса обработки пересушенных почв юга Украины предложен рабочий орган, отличительными особенностями которого являются:

- наличие на каждом крыле рабочего органа 3-х зубьев, представляющих собой в вертикальной плоскости - участки логарифмической кривой, переходящие в параболу четвертой степени, с максимальной высотой подъема - 55 мм; в горизонтальной - наклонную косинусоиду, с углом наклона - 50° и периодом 147 мм;

- выполнение рабочей поверхности рыхлительной лапы по ширине захвата в виде знакопеременной кривой с амплитудой 30 мм;

- наличие долота, рабочая поверхность которого представляет собой участок логарифмической спирали с переменным углом трения.

6. Сравнительные испытания рабочих органов культиватора-плоскореза показали, что качество крошения почвы на всех режимах обработки у предложенного рабочего органа выше, чем у серийного, в 1,6 раза при снижении тягового сопротивления на 40 Ж.

7. Применение разработанных рабочих органов для комплектования культиватора КПШ-5 при агрегатировании его с трактором Т-150К позволяет производить основную обработку тяжелых пересушенных почв в соответствии с агротехническими требованиями при меньших энергетических затратах. Годовой экономический эффект применения комплекта рабочих органов при этом составил 3402 грн. или в энергетическом исчислении - 108,7 Гйж.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Петриченко C.B., Смирнов В.Д. Проектирование, методика и результаты испытаний семейства плоскорезных рабочих органов для обработки пересушенных почв. /Конструювання, виробництво та експлуатац1я с1льськогосподарських машин //Загальнодерхавний м1жв1домчий науково-техн1чний зб1рник.~ К1ровоград, KICM.- Вип. 24-26.- 1996.- с.166-172.

2. V.D.Smlrnov, S.V.Petrlcenko. UPRAWA GLEB PRZESUSZONYCH. /||| Mledzynarodowe sympozjum "Ekologiczne Aspekty Mechanlzacjl Na-wozenla Ochrony Roslin 1 Uprawy Gleby". - IBMER, Warszawa.-1996: 178-183, (на польском языке).

3. Петриченко C.B. Реологическая модель почвы, как среды функционирования системы машин. /Сборник трудов ТГАТА.- Мелитополь.-1996.- с.39-41.

4. Петриченко С.в. Методика определения реологических свойств почвы, используемых в расчетах при проектировании рабочих органов почвообрабатывающих машин /Материалы республиканского научно-технического семинара по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению.- Мелитополь,- 1995.- с.30 - 31.

5. Алба В.Д., Алба С.Д., Петриченко C.B. Моделирование взаимодействия рабочего органа с почвой /Материалы республиканского научно-технического семинара по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению.- Мелитополь.- 1995.- с.27 - 28.

Fetrlchenko S.V. Land Clearer Tools Parameter:; Substantiation Г or Overdried Soils Tillage.

Dissertation lor scientific degree of Candidate of Technical Sciences on speciality.. of 05.20.01 - mechanization of farming, Tavrla State Agrotechnlcal Afcademy, t. Melitopol, 1996.

Under defence Is dissertation contelnlng the results of theoretical and experimental Investigation on substantiation of land clearer tools main parameters for overdried soils tillage.

The abone proposed tools usage enables to conduct gualitatl-vetlllage of the overdried soils at considerable decrease of power expenses.

Петриченко С.В. Обгрунтування параметра робочих орган1в культиватора-плоскор!за для основно! обробки пересушених грунт1в.

Дисертац1я на здобуття вченого ступени кандидата техн1чних наук по спец1альност! 05.20.01 - механ1зац1я с1льськогосподарсь-кого виробництва. Тавр1йська Державна агротехн1чна академ1я, м.Мел1тополь, 1996 р.

Захщаеться робота, яка м!стить в co6i результати теоретич-них та експериментальних досл1дженнь по обгрунтуванню основних параметр1в робочих орган1в до культиватора-плоскор1за для обробки пересушених грунт1в.

Використання запропонованих робочих орган1в дозволяе прово-дити як!сну обробку пересушених грунт1в при значному зниженн1 енергетичних витрат.

Ключов! слова: реолог!я грунту, плоскор1з, зубовий робочий срган.

Подписано в печать 12.05.97. Формат 60-84 1/16. Усл.п.л. 1.

ТГАТА, Г. Мелитополь, 1997 г. Тир. 1Г;0.