CC BY
59
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПОЧВЫ
И.Д. КОБЯКОВ, кандидат технических наук Омский ГАУ
При основной обработке почвы пласт перед рабочим органом орудия растягивается, сжимается, сдвигается, изгибается и обрывается. Из этих видов деформаций мы рассмотрим растяжение, которое можно использовать для снижения энергетических затрат при обработке почвенного пласта, связанного корнями и корневищами.
Резанию растительных материалов лезвием рабочего органа почвообрабатывающего орудия предшествует процесс предварительного сжатия им материала до возникновения на кромке лезвия рабочего органа разрушающего контактного напряжения ар. Скорость резания зависит от величины критической силы резания Р , прикладываемой к ножу. При внедрении лезвия в разрезаемый материал на нож влияют следующие силы.
На фаску и вертикальную плоскость ножа действуют заклинивающие силы Рз, (рис. 1, а). Причем торцевая часть волокон материала оказывает постоянное возрастающее давление на вводимое утолщающееся лезвие ножа.
На кромку лезвия действует сила ^ , характери-
рез
зующая сопротивление материала разрушению. Она направлена вверх в плоскости движения центра кромки лезвия ножа. Ее можно определить как произведение площади (проекции) кромки лезвия Я на
кр
разрушающее контактное напряжение а :
Р = Бкр о = <5 • А а -о ,
рез Г р р7
(1)
контакт-
Рис. 1. Взаимодействие лезвия ножа с волокнистым материалом: а — состояние материала свободное; б — материал растянут; в — материал растянут на выпуклой опоре.
где д — толщина кромки лезвия, А а ная длина лезвия.
Сопротивление материала сжатию фаской ножа вызывает вертикальную силу ^сж. Сумма проекций сил Р^ и Рз составляет направленную по нормали силу 0п. Рассматривая схему действия сил (рис. 1, а), ее величину можно рассчитать по формуле:
О = Р ■ сова + р ■ вша, (2)
*~п з сж * х '
От силы £? на фаске лезвия возникает сила трения:
(3)
где / = /до — коэффициент трения лезвия о волокна растений, <р — угол трения.
Подобно силе трения /^определяем силу Р, (с противоположной стороны лезвия ножа)
Ггр3-/ (4)
Р] направлена в плоскости ножа вверх, а Р2 — в плоскости фаски под углом а к вертикальной плоскости ножа.
Проекция Р’2 от Р2 равна:
Р’2 = Р2 • сом. (5)
В начальный момент резания критическая сила Р , действующая на лезвие, должна по величине быть
кр
больше или равна сумме всех сил, действующих вертикально, то есть
>Р + Р’+Р +Р . (6)
кр — 1 2 сж рез 4 '
Резание волокнистых растительных материалов в натянутом и свободном состоянии отличается тем, что в первом случае оно осуществляется исключительно кромкой лезвия без трения или при незначительном трении поверхностей фасок ножа о материал. Это происходит из-за того, что разрезанные волокна раздвигаются и перемещаются от лезвия под действием внешних сил, приложенных к разрезаемому материалу и направленных в противоположные стороны [1...4] (рис. 1, б). В таком случае угол заточки и толщина лезвия ножа не имеют существенного значения, поскольку фаски лезвия не принимают участия в резании, а его кромка постоянно находится в контакте с разрезаемым материалом. Из рассмотренного следует, что критическая сила Ркр будет уравновешиваться только одной силой Р , действующей на кромку лезвия и формула (6) примет вид:
Р =/■ , (7)
кр рез ’ 4 '
или Р = д ■ Аа • а.
кр
В практике при обработке почвы, в значительной степени насыщенной корнями растений, имеет место резание растянутого и нерастянутого волокнистого материала. Определим распределение нормальных напряжений (растяжения и сжатия) по его перечному сечению. Для этого выделим двумя поперечными сечениями Брз и Ор4 участок малой длины Ерр а радиус кривизны нейтрального слоя обозначим через /-(рис. 1, в).
В зоне йрз и Ор4 волокно Ер2, расположенное от нейтральной оси расстоянии у, в результате
деформации изгиба увеличивается на отрезок Ер?
Ввиду малой величины E}E4w E2ES заштрихованные треугольники будем считать прямоугольными и соответственно подобными (при условии, ЧТО Е2Е5 и Е3Е4 параллельны)
Из подобия этих треугольников следует, что
E2Es/EJE4 = Е2Е/Е4° =У/Г>
или Е2Е/ EjE4 = у/г. (8)
Левая часть этого равенства есть относительное удлинение, то есть
Е2Е/Е3Е4=£, (9)
иначе у/г = Е. (10)
Используя закон Гука при растяжении и сжатии растительных волокнистых материалов (а = Ее) получим
а =(Е- г)/г (11)
Из формулы (11) следует, что максимальные напряжения при изгибе возникают в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси NN. Установив закон распределения нормальных напряжений в поперечном сечении, можно построить соответствующую эпюру.
Для построения прямой по уравнению (11) достаточно определить две ее точки, то есть при у = О, о =0:y~h, а =о .
у 1 ’ п тех
Отложив величину а в некотором масштабе и
J max с
соединив полученную точку t{ с центром тяжести сечения 0, получим эпюру напряжений (рис. 1, в). Во второй половине сечения ее можно получить, продолжив линию tfljxo точки 1Г В результате становится понятным, что самые удаленные вверх от нейтральной линии растительные волокна, имеют наибольшие напряжения при растяжении, а у расположенных ниже по мере удаления от нее возрастают напряжения при сжатии.
Сечение изогнутого растительного материала в этом случае меняется. На вогнутой стороне ближе к подпору оно увеличивается в поперечном направлении из-за сжатия волокон, а на выпуклой — уменьшается в результате их растяжения.
Отсюда возникает необходимость резания в зоне наибольшего напряжения растяжения. В этом случае перед вводимым лезвием постоянно сохраняется зона растяжения (заштрихованная полоска) и ниже нейтральной линии (НО) — зона сжатия, до тех пор пока лезвие полностью не разрежет материал (рис. 1, в).
При большом увеличении цилиндрическая поверхность кромки лезвия не гладкая, а шероховатая (рис. 2, а), то есть покрыта большим количеством микронеровностей. При нормальном резании они внедряются в растительный материал (заштрихованный), который прижимается к поверхности кромки (алЬ) почвенным подпором. Между лезвием и разрезаемым материалом возникает сила трения F№ препятствующая выскальзыванию последнего в стороны.
Po<fo-N> (12)
где Ед — сила трения, Н; fg — коэффициент трения; N— нормальная реакция силы резания ножа, Н.
Отсюда следует, что стабильность фиксации разрезаемого материала обусловлена величиной силы
Рис. 2. Резание кромкой лезвия ножа свободного (а) и растянутого (б) материала.
трения Fg, которая пропорциональна^ и N. При нормальном резании по закону Амонтона — Кулона сила трения возрастает от увеличения времени предварительного контакта соприкасающихся поверхностей. В соответствии с этим формула (12) примет вид:
Fo<fo-fr*> (13)
где— коэффициент (ft< 1), учитывающий время контакта лезвия и материала (без относительного перемещения).
Допускаемая сила при растяжении материала определяется по формуле:
Р< [о] F, (14)
где у — наибольшее нормальное напряжение в поперечном сечении (с-с), Па; F— площадь поперечного сечения материала, м2.
С учетом физико-механических свойств материала следует, что если допускаемая сила при его растяжении будет меньше или равна силе трения, то разрушение будет проходить по плоскостям а-а и b-b, а в случае, когда Р > Fg — по сечению с-с.
При внедрении кромки лезвия в растянутый волокнистый материал (рис. 2, б) последний разрушается в плоскости биссектрисы угла заточки ножа. В этом случае цилиндрическая поверхность кромки лезвия в начальный момент касается участком с малым углом обхвата /?. Тогда параметр кромки лезвия (а^,), принимаемый за остроту, определяется по формуле:
ар=Ь2 = (2г ■ соф)/2, (15)
где д2 — толщина кромки лезвия (частный случай), мкм; г— радиус кромки лезвия ножа, мкм; /5 — угол обхвата, характеризующий контактную площадь кромки лезвия с материалом, зависящий от силы натяжения и наличия подпора, град.
На работу резания растянутых материалов при наличии подпора диаметр кромки лезвия влияет несущественно, так как волокна расходятся (смещаются) от нее. В частном случае в разрушении волокнистого растянутого материала (при малой его толщине) участвует кромка лезвия с малым углом обхвата /?, то есть
2r-cos/?
Ррез ~ $кр' ° р ~&2
А a-а D =■
р 2 Аа-
(16)
где д2—параметр кромки лезвия ножа, зависящий Да — контактная длина, мкм;/?—угол обхвата, град; г—
от силы натяжения и физико-механических свойств радиус кромки лезвия ножа, мкм; а — наибольшее
материала (принимает значения от шах до шіп), мкм; нормальное напряжение при растяжении, Па.
Литература.
1. Взаимодействие лезвия ножа с разрезаемым материалом / ИД. Кобяков // Вестник ОмГАУ. — 1997. — М 3. — С. 37—38.
2. Как усовершенствовать плуг, сеялку / И.Д. Кобяков// Земля сиб., дальневост. — 1993. — № 5—6. — С. 30—32.
3. Кобяков ИД. Малая механизация для крестьянских (фермерских) хозяйств в Сибири: монография/ ИЛ. Кобяков; Ом. гос. аграр. ун-т. — Омск: Изд-во ОмГАУ, 2000. — 256с.
4. Кобяков И.Д. Обоснование параметров и режимов работы дискового ножа (на примере плуга): дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01: защищена 23.10.86: утв. 06.05.87/ Кобяков Иван Демидович. — Омск, 1986. — 270с.
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ПОЧВООБРАТЫВАЮЩЕГО ПОСЕВНОГО АГРЕГАТА
Р. С. РАХИМОВ, доктор технических наук К.И. ЛУКОМСКИЙ, инженер А.Н. ГАЛИМОВ, инженер Челябинский ГАУ
Почвообрабатывающие посевные агрегаты (ППА) должны за один проход качественно подготовить почву и провести посев на заданную глубину с минимальным тяговым сопротивлением и соблюдением агротехнических требований. Выполнение этих условий обеспечивается при правильном обосновании рациональной конструктивной схемы и параметров агрегата, соответствующих определённым условиям работы. Мы провели исследования по обоснованию конструктивной схемы почвообрабатывающего посевного агрегата для распространенных во многих хозяйствах тракторов класса тяги 20 кН (МТЗ-12-21, РТ-М-160). Согласно расчётам, проделанным по их известным характеристикам, рациональная ширина захвата агрегата для условий Урала составляет 5,4 м. Такой ППА включает бункер-прицеп для семян и удобрений и трёхсекционную почвообрабатывающую машину с пневматической системой распределения семян и удобрений.
Равномерность глубины хода рабочих органов, а значит и глубины заделки семян, зависит от конструктивной схемы и параметров почвообрабатывающей машины, к раме которой в различных местах жёстко или шарнирно закреплены рабочие органы. Для расчета перемещений точек их крепления при различном местоположении опорных колёс и шарниров рассмотрим кинематическую модель ППА при допущениях, что опорные колеса агрегата безотрывно копируют профиль поверхности поля, а силы, действующие на рабочие органы, имеют постоянную величину [1,2].
В продольно-вертикальной плоскости (рис. 1), движение агрегата можно охарактеризовать следующими обобщенными координатами: линейные вертикальные перемещения центра оси задних колес трактора (г2Г м) и угловые колебания трактора (<рг град), прицепа-бун-кера (<рг, град) и культиватора (<ру град).
В поперечно-вертикальной плоскости (рис. 2), движение почвообрабатывающей части характеризуется линейными вертикальными перемещениями, одного из опорных колёс центральной секции {гщк> м), угловыми колебаниями центральной (1рц, град), левой (гр^ град) и правой (гр^ град) секций культиватора.
Возмущения от неровностей рельефа поля под левыми и правыми колесами трактора (1,лк, 1ШК, г2ПК), бункера (1ЗЛК, гзпк), центральной и боковых секций (х4ШР г4Ш1, г4В]Р 14Ш1) вызывают вертикальные и угловые перемещения рамы культиватора.
Расстояние (А , м) от любой точки рамы центральной секции ППА до поверхности поля под ней (вертикальные перемещения), учитывая её перемещения в продольно- и поперечно-вертикальной плоскостях определяется, как:
К = К-^■ъ+ук-'гч+ Ь* +К~ V’ 0)
хк — координата опорных колес центральной и боковых секций ППА по оси х, м\ х и ущ — координаты /-ой точки центральной секции ППА соответственно по оси х и оси у, м; Ик — расстояние от нижней части колеса до рамы, м; гщ — высота профиля
Рис. 1. Расчетная схема агрегата для определения перемещений в продольно-вертикальной плоскости. ________________________________ Достижения науки и техники АПК, №9-2007
