CC BY
140
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.316.22
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЛУБОКОГО ЧИЗЕЛЕВАНИЯ ПОЧВЫ
В.И. Пындак, доктор технических наук, профессор А.Е. Новиков, кандидат технических наук, докторант
Волгоградский государственный аграрный университет
В качестве показателя энергоэффективности глубокого чизелевания почвы главным образом выступает удельное тяговое сопротивление орудия, зависящее от многих факторов, в их числе - плотность почвы, глубина обработки, форма и размер долота, а также геометрия стойки. Предложено блокированное резание почвы и волновое разрушение почвы рассматривать как близкие явления, в результате которых происходит распространение со скоростью соизмеримой со скоростью звука волн напряжений и деформаций в стороны от рабочих органов, что объясняет несущественное влияние скорости МТА на удельное сопротивление орудия.
Ключевые слова: чизель, обработка почвы, блокированное резание, стойка, долото, деформация, напряжения, удельное тяговое сопротивление, упругая волна.
Преимущества и эффективность глубокой чизельной обработки почвы широко известны. Одно из существенных преимуществ чизелевания - снижение энергоёмкости основной обработки почвы и, как следствие, экономия моторного топлива на 28-39 % при глубине обработки 36-40 см [1, 5].
Однако энергоэффективность чизелевания приводится в сравнении с отвально-лемешной вспашкой, объёмы которой снижаются, при этом сами чизели представляют в виде прямой или наклонной стойки с долотом на конце [13, 14]; стойка Параплау -«прародитель» современных стоек - изначально была наклонной [4]. Совершенствование чизельных орудий происходит за счёт расширения их функциональных возможностей и «навешивания» на стойки дополнительных рабочих органов; примеры этих эво-люций показаны в [2-4, 10].
При изучении взаимодействия чизеля с почвой считается, что долото как двухгранный клин отделяет пласты почвы, которые, накапливаясь, обрушивают (скалывают) почву впереди и по бокам стойки под углами у и в (рис. 1). Иногда угол обрушения впереди стойки определяют, ссылаясь на В.П. Горячкина [14]:
¥ = 90°-1 • (а + ф + фв),
где а = 15...250 - угол крошения (рис. 1); ф ~ 25° - угол трения почвы по стали; фв ~ 40° - угол внутреннего трения почвы по почве.
а б в
Рисунок 1 - Взаимодействие чизеля с почвой: 1 - прямая стойка; 2 - наклонная стойка; 3 - долото
Тогда у = 45.. .50°; Л.С. Орсик изначально принимает: в = у [8]. Мы считаем, что углы обрушения почвы спереди и по бокам стойки равны углу естественного откоса почвы, который, как известно, равен ~ 45°.
Вне зависимости от типа стойки - прямой или наклонной - в почве формируется гребнистое дно борозды, угол при вершине гребней 2в ~ 90°. При угле изгиба наклонной стойки больше в тяговое сопротивление орудия возрастает за счёт взаимодействия стойки с нетронутой почвой [8]. Если стойка имеет изгиб строго под углом 45°, то боковая плоскость стойки скользит по скату гребня, вычёсывая сорняки, которые опускаются в глубь борозды.
Энергетические преимущества наклонных стоек видны из рисунка 2, который показывает, что силовой фактор ¥П почвы со стороны прямой стойки (рис. 2, а) действует горизонтально и носит медленно затухающий характер. При взаимодействии с почвой наклонной стойки (рис. 2, б) силовой фактор ГН1 с одной стороны выходит на дневную поверхность, а с другой стороны (РН2) уходит в нетронутую почву - рассеивает энергию. Эти особенности целесообразно учитывать при силовых расчётах.
Рисунок 2 - Силовые факторы почвы при чизелевании
На сопротивление движению рабочего органа в почве оказывает влияние форма поперечного сечения стойки (рис. 3, а). Большинство стоек имеет сечение вытянутого прямоугольника с шириной Ь = 30 мм (вариант 1). Лобовое сопротивление рабочего органа снижается, если фронтальная сторона стойки имеет заострение или скругление (варианты 2 и 3). Заслуживают внимания нетрадиционные сечения стойки - со снижением ширины в сторону тыльной части, в их числе сечения с заострённой и скруглённой фронтальной частью (варианты 4 и 5) и с грушевидным сечением (вариант 6).
Рисунок 3 - Поперечные сечения стойки
В качестве примера рассмотрим переменное сечение стойки с заострением в фронтальном направлении (рис. 3, б). Вершина клина - точка А воспринимает напряжение а], а в почве возникают упруго-вязкие деформации. При силовом воздействии на клин деформации будут возрастать, увеличиваясь влево и вправо - по направлениям к точкам В и С.
Максимальное напряжение почвы можно определить, воспользовавшись уравнением релаксации Максвелла:
^ = ехр(-^),
где Т = - время, по истечении которого напряжение уменьшается, по сравнению с а0, в е раз, или время релаксации.
Время движения почвы по сторонам АВ и АС клина:
/ = / = 0,5Ь
1 10 Уп • '
где Ь - размер ВС; Уп - скорость поступательного движения рабочего органа (принята в направлении прямолинейного участка АД); у - (рис. 3, б).
После прохождения стойки почва под действием сил релаксации закрывает образовавшуюся щель. По данным [13], время релаксации почвы составляет 0,17-0,18 с. Если скорость движения рабочего органа, к примеру, Уп = 2,78 м/с (10 км/час), то за 0,17 с стойка преодолеет расстояние 0,4726 м, что значительно больше величины продольного сечения СД. Следовательно, при чизелевании боковые поверхности стойки кВВ' и кСС' не будут подвергаться силовому воздействию почвы, и на этих поверхностях силы трения можно не учитывать (к - глубина чизелевания).
Имеются обстоятельные разработки и исследования [6], направленные, в частности, на совершенствование формы стоек в вертикальной плоскости (на виде сбоку), с целью снижения энергоёмкости рыхления почвы.
Но наибольшее сопротивление чизельному рабочему органу возникает за счёт взаимодействия долота с почвой. Если долото вспарывает нетронутую («материнскую») почву - в подпахотном горизонте ниже критической глубины резания ккр - возникает известное явление под названием «блокированное резание» (без выноса почвенной стружки на дневную поверхность). Энергетическая интерпретация этого явления пока не разработана, но утверждается, что при блокированном резании тяговое сопротивление чизеля резко возрастает [12-14]. По данным [1, 9], при таком чизелевании до 60 % нагрузки берёт на себя долото. Общеизвестно, что с увеличением рабочей скорости пахотного агрегата тяговое сопротивление также возрастает.
Однако предварительные исследования показывают не увеличение, а снижение удельного тягового сопротивления и при блокированном резании, и при возрастании скорости МТА. Обычно почвы трактуются как сплошная упруго-вязкая среда, при этом деформации почвы могут быть подразделены на объёмные деформации сжатия и деформации сдвига. Модуль Е линейной упругости глинистых почв имеет значение 510 МПа [13]; для других почв несколько больше.
При блокированном резании почвы долото срезает и гонит впереди себя запертую со всех сторон стружку, при этом происходит деформация сжатия почвы, а по бокам долота образуются известные опережающие трещины. Сдвиг, растяжение и некоторые другие виды деформации составляют всего 2-10 % от деформации сжатия почвы [13], но без сдвига нет отделения почвенной стружки. Согласно теории прочности Кулона-Мора, сопротивление материала сдвигу складывается из внутреннего трения и сцепления; при сжатии плоскость разрушения происходит под углом а0 по отношению к направлению главного напряжения:
где фв - упомянутый угол внутреннего трения почвы.
Многие учёные, начиная с В.П. Горячкина [7], считают, что обработка почвы носит динамический характер - сопровождается микроударами рабочего органа (клина) об почву, вследствие чего интенсифицируются процессы и сжатия, и сдвига (скола), и, в конечном счёте, разрушения почвы. Эти явления гипотетически переносятся и на чи-зелевание [1,9, 12, 13 и др.]. Мы считаем, что при блокированном резании ударное взаимодействие долота с нетронутой почвой происходит опосредованно и своеобразно: сжатие стружки носит циклический характер, сопровождающийся её смещением вверх по плоскостям наклонного долота; из образующихся комьев выдавливается воздух и влага, при этом комьям сообщается потенциальная энергия; от нагруженных и переуплотнённых фрагментов почвы распространяются волны напряжений и деформаций -создаётся волновое воздействие на почву.
Скорость распространения упругой волны определяется из соотношения [13]:
= ±(45° -фв),
(1)
где р - плотность почвы.
Параметры р и Е непрерывно, но взаимозависимо изменяются, что несущественно влияет на скорость Уу. Но при изначально высоком значении р, например 1,41,6 г/см3 (что характерно для уплотнённых подпахотных горизонтов), параметр Е непропорционально возрастает. Поэтому скорость достигает значений 180 м/с.
Продолжительность действия упругой волны определяется из уравнения [13]:
ж • I
М = ■
2 • V
у
где I - длина «тела», подвергнутого удару, или расстояние. При I ~ 0,5 м и Уу = 100-150 м/с величина At составляет 0,005-0,008 с.
Это означает, что волны деформаций носят высокочастотный характер, что объясняется наличием в комьях почвы циклически сжимающегося воздуха («пружины»); упругие деформации распространяются со скоростью звука, характерной для данного вида материала (почвы). В связи с этим, становится понятным несущественное влияние на сопротивление почвы скорости МТА (более корректно квадрата скорости У), а скорость Уу упругой волны, согласно (2), зависит только от свойств почвы.
Возвратившись к давно известной зависимости (1), отметим, что при волновом воздействии на деформированную (сжатую) почву циклически «теряется» сцепление и, следовательно, внутреннее трение частиц почвы, при этом на доли секунды, но регулярно, угол внутреннего трения равен нулю (ф00 = 0). Тогда, согласно (1), обрушение (разрушение) почвы происходит под углом а0 = ± 45°, т.е. под названным углом у или в, который по-прежнему можно трактовать как угол естественного откоса почвы. Знаки ± указывают на симметричность явления, т.е. обрушение почвы происходит в противоположных направлениях по отношению к долоту.
Уместно ещё раз подчеркнуть, что волновое воздействие на почву происходит лишь при блокированном резании. Считается [1, 13], что критическая глубина чизеле-вания ккр зависит от ширины долота:
Ир = (2,5 - 4,0) • В.
Предельное значение Ипред, при котором сохраняется эффект блокированного резания, зависит от свойств почвы, скорости звука в почве, а также ширины долота. При глубине чизелевания И ^ Ипред блокированное резание может отсутствовать, при
этом чизелевание трансформируется в щелевание. Если ширина долота В равна толщине Ь стойки (В = Ь), то чизелевание почвы трансформируется в щелевание.
На тяговое сопротивление чизельного рабочего органа существенное влияние оказывает форма и конструктивные особенности долота. В работе [11] представлены результаты сравнительных экспериментальных исследований 10 вариантов рабочих органов и выявлено, что минимальные значения горизонтальных Ях и вертикальных Я2 составляющих силы сопротивления имеет рабочий орган с двумя ярусно расположенными, выполненными по логарифмической спирали долотами (рис. 4) - с переменными значениями В и угла крошения.
Рисунок 4 - Вариант долота чизельного рабочего органа
Здесь Ях в 1,2-1,6 раза меньше, по сравнению с соответствующими показателями рабочих органов с прямыми долотами, установленными под углом 30°, при этом соотношение Я2/ Ях и угол наклона равнодействующей Ях2 также минимальны. Имеет значение и угол наклона самой стойки в вертикальной плоскости (на виде сбоку).
Таким образом, энергоэффективность глубокого чизелевания почвы зависит от многих факторов, в их числе: свойства почвы, глубина обработки, форма и размеры долота, его установка на стойке, сама стойка - её геометрия и положение в почве. Но «неожиданным» образом на первое место выходят волновые явления при блокированном резании почвы.
Библиографический список
1. Борисенко, И.Б. Совершенствование ресурсосберегающих и почвозащитных технологий и технических средств обработки почвы в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / И.Б. Борисенко. - Чебоксары, 2006. - 43 с.
2. Борисенко, И.Б. Модернизация чизельных орудий для глубокого мелиоративного рыхления почвы [Текст]/ И.Б. Борисенко, В.И. Пындак, В.Ф. Лобойко // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2008. - № 7. - С. 15-18.
3. Борисенко, И.Б. Модернизация и адаптация почвообрабатывающих орудий на основе чизеля [Текст]/ И.Б. Борисенко, В.И. Пындак, А.Е. Новиков // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2011. - № 4. - С. 8-10.
4. Борисенко, И.Б. Развитие чизельных почвообрабатывающих орудий и их теоретическое обоснование [Текст] / И.Б. Борисенко, В.И. Пындак, А.Е. Новиков // Машинно-технологическая станция. - 2012. - № 3. - С.16-20.
5. Буряков, А.Т. Экономия дизельного топлива - насущная задача земледельца [Текст]/ А.Т. Буряков // Земледелие. - 2005. - № 5. - С. 32-33.
6. Ветохин, В.И. Системные и физико-механические основы проектирования рыхлителей почвы [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В.И. Ветохин. - Глеваха, 2010. - 43 с.
7. Горячкин, В.П. Учение об ударе [Текст]/ В.П. Горячкин // Собрание сочинений. -Т. 1. - М.: Колос, 1965. - С. 178-203.
8. Орсик, Л.С. Теоретическое определение тягового сопротивления рабочих органов наклонного типа и обоснование их расстановки на раме орудия [Текст]/ Л.С. Орсик // Теория и расчёт почвообрабатывающих машин: сб. науч. тр. / ВИМ. - 1989. - Т. 120. - С. 78-86.
9. Пындак, В.И. Тяговое сопротивление чизельно-отвального орудия [Текст]/ В.И. Пындак, А.Е. Новиков // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. - № 8. - C. 34-36.
10. Пындак, В.И. Обоснование рабочих органов для глубокого рыхления почвы при возделывании широкорядных пропашных культур в условиях орошения [Текст]/ В.И. Пындак, А.Е. Новиков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 2. - C. 161-165.
11. Сучков, И.В. Силовые характеристики рабочих органов для глубокого рыхления почвы [Текст]/ И.В. Сучков, В.Г. Кирюхин, В.Н. Егоров // Теория и расчёт почвообрабатывающих машин: сб. науч. тр. / ВИМ. - М., 1989. - Т. 120. - С. 204-208.
12. Токушев, Ж.Е. Теория и расчёт орудий для глубокого рыхления почв [Текст]/ Ж Е. Токушев. - М.: Инфра-М, 2003. - 300 с.
13. Токушев, Ж.Е. Технология, теория и расчёт орудий для разуплотнения пахотного и подпахотного горизонтов почвы [Текст] : дис. ... д-ра техн. наук / Ж.Е. Токушев. - М., 2003. -284 с.
14. Труфанов, В.В. Глубокое чизелевание почвы [Текст] / В.В. Труфанов. - М.: Агро-промиздат, 1989. - 142 с.
E-mail: mshaprov@bk.ru
