CC BY
53
УДК 631.317
МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЁМКОСТИ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
ГУРЕЕВ И.И.,
доктор технических наук, ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, E-mail: gureev06@mail.ru. +7 910 310 3908. КЛИМОВ Н.С.,
кандидат технических наук, ФГБОУ ВО Курская ГСХА, E-mail: klimns@mail.ru. +7 910 318 0399.
Реферат. В статье рассматривается конструкция фрезы с разновеликими .Т-образными ножами, осуществляющая менее энергоёмкое послойное фрезерование почвы. Снижение энергоёмкости фрезерования достигается ограничением излишнего измельчения нижнего горизонта обрабатываемого пласта. Одинаковая интенсивность измельчения верхнего горизонта разновеликими ножами обеспечивается равенством подач на них в момент погружения в почву. Для этого ножи с крыльями загнутыми в одну сторону устанавливают с угловым смещением по диску друг относительно друга. В результате экспериментальных исследований, выполненных на задернелой почве, энергоёмкость фрезерования формализовали и установили, что в диапазоне изменения кинематического режима 7,9...11,7 фреза с разновеликими ножами на 13.. .17 % менее энергоёмка в сравнении с базовой конструкцией. Энергетический эффект возрастает прямо пропорционально кинематическому режиму. По качественным показателям обработки почвы существенного различия между сравниваемыми конструкциями не обнаружено.
Ключевые слова: почвообрабатывающая фреза, послойная обработка, разновеликие ножи, интенсивность измельчения, кинематический режим.
DECREASE OF ENERGY INTENSITY IN TILLING THE SOIL WITH MILLING CUTTERS
GUREEV I. I.,
Doctor of Technical Sciences, Institute of Agriculture and Soil Erosion Control, Kursk, Russia, E-mail: gureev06@mail.ru, tel.8-910 310 39 08.
KLIMOV N.S.,
Candidate of Technical Sciences, "Kursk State Agricultural Academy", Kursk, Russia, E-mail: klimns46@mail.ru, tel. 8-910 318 03 99.
Essay. The article studies the construction of milling cutters of different sized Г-shaped knives. These milling cutters are less power-consuming in milling soil layers. Decrease in energy intensity is achieved by limiting the intensity of milling excessive shredding of the soil lower horizon formation. Identical intensity shredding of the upper horizon by different sized knives is ensured by the equal supply on them at the time of immersion into the soil. For this purpose knives with wings curved in one direction are installed with angular displacement on the disk relative to each other. As a result of the experimental research carried out on the turf-covered soil energy intensity of milling was studied. It was determined that in the range variation of kinematic regime of 7,9 ... 11,7 the milling cutter with different sized knives is by 13 17% less energy-consuming in comparison with the basic design. The energy effect increases in proportion to the kinematic mode. According to the qualitative indicators of the soil milling no significant difference between comparable constructions has been found.
Key words: tillage milling cutter, layer-wise tillage, different-sized knives, intensity of milling, kinematic mode.
Почвообрабатывающая фреза - единственная машина, которая позволяет задавать необходимую степень измельчения почвы. Подбором соотношения окружной и поступательной скоростей её ножей можно качественно обрабатывать за один проход любые типы почв, в том числе и задернелые.
Фрезерование позитивно сказывается на агрофизических свойствах почвы, водном и питательном режимах растений. Активное перемешивание почвенных слоёв повышает биологическую активность обрабатываемого пласта и способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Преимущество почвообрабатывающих фрез резко возрастает при агрегатировании их современными энергонасыщенными тракторами, отличающимися малой сцепной массой и высокой мощностью двигателя. Необходимую энергию фрезы потребляют не за счёт
тягового усилия тракторов, а через вал отбора мощности, что ведёт к уменьшению буксования движителей, снижая тем самым их разрушающее воздействие на структуру почвы [1].
Однако в земледелии фрезы не получили широкого распространения вследствие высокой энергоёмкости и меньшей, чем у почвообрабатывающих машин с пассивными рабочими органами, производительностью. Поэтому актуальны исследования по снижению затрат энергии на фрезерную обработку почвы за счёт оптимизации конструктивных и режимных параметров фрез.
На обработке почвы используют преимущественно фрезы с горизонтальной осью 0 вращения ротора, перпендикулярной направлению поступательного перемещения V (рисунок 1).
Э, = - = . кДж/м3, 1 р л?« ^
(1)
Рисунок 1 - Схема почвообрабатывающей фрезы
Ротор таких фрез диаметром 2Я содержит батарею дисков 1 на приводном валу, на которых через равные угловые промежутки размещены Г-образные ножи 2. Крылья ножей относительно диска попеременно отогнуты в противоположные стороны. На каждом диске размещают 2 ножей с отгибом крыльев в одну сторону и столько же - с отгибом крыльев в противоположную сторону. В рабочем положении принудительно вращающийся ротор участвует в двух движениях: вращательном вокруг оси 0 с угловой скоростью а и поступательной вместе с фрезой со скоростью У. Кромки ножей осуществляют резание почвы со скоростью У0=аЯ .
Степень измельчения фрезеруемой почвы характеризуется геометрическими размерами стружек, отделяемых ножами от почвенного монолита. Длина стружки (подача на нож) равна продольному расстоянию между смежными траекториями ножей. Ширина стружки Ь определяется захватом крыла Г-образных ножей, а высота Н - глубиной фрезерования почвы. Интенсивность измельчения почвы зависит от толщины стружки, изменяющейся в зависимости от заглубления ножа. Максимальное значение толщины в точке контакта ножа с поверхностью поля [2]: &
где Р, I - сопротивление почвы ножу и путь его режущей кромки при отрезании стружки.
По выражению (1), при заданных условиях и режимах функционирования фрезы минимизация энергоёмкости обработки почвы возможна за счёт снижения нагрузки на ножи Р и уменьшения длины пути их режущих кромок I при отрезании стружек.
Уменьшить длину пути резания позволяет конструкция фрезы с ротором, оснащённым разновеликими Г-образными ножами радиусами Я0 и Я1 (Я0>Я1) (рисунок 2).
Рисунок 2 - Измельчение почвы фрезой с разновеликими ножами
Верхний горизонт почвенного пласта на глубину И измельчают оба типа ножей данной фрезы, а нижний (Н-И) - лишь ножи Я0 с увеличенной подачей 25. При этом энергоёмкость новой конструкции:
РСк+Ц ..тт..'/. з
" кДж/м
(2)
Из приведенной формулы следует, что при неизменной подаче на нож и перемещении его к дну борозды в промежутке Н...0 толщина стружки уменьшается и, соответственно, возрастает интенсивность измельчения почвы. Следовательно, для достижения заданного измельчения фрезой верхнего горизонта обрабатываемого пласта, нижний горизонт заведомо измельчают излишне, что увеличивает энергоёмкость фрезерования.
Целью исследований явилась минимизация энергоёмкости фрезерной обработки почвы за счёт ограничения излишнего измельчения нижнего горизонта пласта.
Условия, материалы и методы исследований. Обобщающей характеристикой энергоёмкости фрезерования являются удельные затраты энергии на единицу объёма обрабатываемой почвы. Энергоёмкость Э1 фрезы определяют отношением работы А на отрезание стружки к её объёму Q:
¡о + 11 < 21, м, где ¡а ¡1 - длина пути резания ножами Я0 и Я1.
Одинаковая интенсивность измельчения верхнего горизонта ножами Я0 и Я1 достигается равенством подач на них в момент погружения в почву, т.е. максимальная толщина стружек, отрезаемых разновеликими ножами, одинакова. Недостаток длины стоек коротких ножей для захвата стружки на величину подачи 5 компенсируется дополнительным их поступательным перемещением перед погружением в почву. Для этого ножи с крыльями загнутыми в одну сторону устанавливают на диске с угловым смещением а10 (цифры индекса указывают на очерёдность погружения в почву - в данном случае первым погружается нож Я1, затем Я0), а01>а10.
В выражениях (1) и (2) значения усилия Р определяют по адаптированной к фрезерным рабочим органам рациональной формуле сопротивления почвы вспашке В.П. Горячкина [2]:
Р = Р + кН,
(3)
где Е - сопротивление трения ножей о почву, а также резания и деформации ими отрезаемых стружек;
к - коэффициент пропорциональности.
Однако, в связи с повышением рабочих скоростей почвообрабатывающей техники и, особенно, при выполнении работ по фрезерованию почвы, результаты исследований зачастую не согласуются с формулой (3) в части отсутствия взаимосвязи усилия Е со скоростью рабочих органов. Причём несоответствие усугубляется в случаях тяжёлой по механическому составу почвы [3]. Это свидетельствует о необходимости переоценки данной формулы с учётом современных скоростей взаимодействия рабочих органов с почвой.
Для повышения точности представления экспериментальных данных эмпирической взаимосвязью известны варианты видоизменённой формулы сопротивления почвы обработке. Одни из них [4] направлены на расширение сферы применимости известного выражения, для чего в одном из вариантов в формулу предложено ввести дополнительную константу [5]. Другие варианты, наоборот, ориентированы на конкретные виды почвообрабатывающей техники - адаптацией выражений лишь для отвальных плугов [6] или лаповых культиваторов и машин с зубовыми рабочими органами [7]. Но испробованные инновации не повысили уровня рациональности формулы (3) не только применительно к фрезам, но и к современным высокоскоростным почвообрабатывающим машинам с пассивными рабочими органами.
Позитивные сдвиги в направлении усовершенствования формулы (3) получены при испытаниях культиваторов-плоскорезов, чизелей и дисковых борон. Испытания показали линейную взаимосвязь сопротивления почвы резанию и деформации с рабочей скоростью [8]. С полу-
ченными в испытаниях данными пришло понимание -напряжения в почве и, соответственно, работа на её рыхление возрастает по линейной зависимости с увеличением скорости резания. Впоследствии это нашло подтверждение в исследованиях с учётом реологических свойств почвы [9].
Однозначно установлено, что сопротивление резанию и деформации отрезаемой стружки состоит в линейной зависимости от скорости деформатора. Поэтому для почвообрабатывающих фрез более приемлемо:
? = кН,
(4)
где а
сопротивление трения ножей о почву; сопротивление резанию и деформации отрезаемых стружек;
сила для сообщения скорости массе отбрасываемой почвы. С учётом выражения (4) формулы (2) и (3) представим в виде:
ЪУп
з. = .-,_ - - кДж/м. Э: = о: 4- ЬгС0 4- сгУд, кДж/м3
(5)
где
К
X
ГО
со о
а ф
т ф
СР Ю
л
I-
и
о
ас
Ш :ф О
Ф X
т
300
275
>
ас
с!
ас
250
225
200
175
275
242 257 ^^
234 229
218 ^ 1 —
201 г> """ 209 ^ _ -о- "*
24
7,5 8,5 9,5 10,5
Кинематический режим фрезерования
Рисунок 3 - Сравнительные энергетические показатели почвообрабатывающих фрез
11,5
Результаты и их обсуждение. Выполнили экспериментальную оценку энергоёмкости двух конструкций почвообрабатывающих фрез, отличающихся схемами взаимодействия Г-образных ножей с почвой. Конструкцию, представленную на рисунке 1, приняли базовой и в сравнении с ней оценивали новую фрезу, оснащённую разновеликими ножами (рисунок 2). У сопоставляемых машин одинаковые габариты роторов (2Я=2Я0=560 мм), глубина фрезерования почвы (Н=20 см) и минимальный угол между смежными ножами на диске - я/4. При испытаниях кинематический режим фрез изменяли от 7,9 до 11,7 за счёт поступательной скорости агрегата, а угловую скорость (а=37 с'1) сохраняли постоянной. Синхронно кинематическому режиму поддерживали соотношение между радиусами разновеликих ножей в диапазоне т1 = 0,9... 0,97.
Эксперимент провели на дерновоподзолистой почве влажностью 18...24 % и твёрдостью 1,9...2,5 МПа. Средняя толщина связной дернины составляла 10 см.
Испытания показали, что новая фреза на 13.17 % менее энергоёмка, причём энергетический эффект её увеличивается пропорционально кинематическому режиму (рисунок 3). По качественным показателям существенного различия между сравниваемыми фрезами не обнаружено.
Выполнена формализация энергоёмкости фрезерования почвы. Установлено, что энергоёмкость базовой Э1 и новой Э2 конструкций аппроксимируется выражениями (5) с достоверностью аппроксимации близкой единице:
Выводы. Создана конструкция фрезы для послойной обработки почвы. В сравнительных испытаниях на дерновоподзолистой почве при неизменных качественных показателях фрезерования установлено снижение на 13.17 % энергоёмкости новой конструкции.
Список использованных источников
1. Гуреев И.И. Экологические последствия применения комплексов машин для механизации обработки почвы // Достижения науки и техники АПК. - 2015. - № 8. - С.77-79.
2. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчёт почвообрабатывающих машин. - М.: Машиностроение, 1977. -328 с.
3. Poesse, G.J. Ristervorm en ploegsnelheid / G.J. Poesse, C. Ouwerkerk // ILR Wageningen publik. - 102. - 1967.
4. Söhne, W. Über den Entwurf von Streichblechformen unter besonderer Berücksichtigung von Streichblechen für höhere Geschwindigkeit / W. Söhne, R. Möller // Gründl Landtechnik. - 1962. - 15. - S.15-27.
5. Telischi, B. Draft measuremenrs for tillage tools / B. Telischi, HF. McColly, E. Erickson // Agric Eng. - 1956. - 37. - S.605-608.
6. Söhne, W. Anpassung der Pflugkörperform an höhere Fahrgeschwindigkeiten / W. Söhne // Gründl Landtechnik. -1960. - 12. - S.51-62.
7. Bernacki, H. Ergebnisse der Untersuchung an Schnellpflugkörpern / H. Bernacki // Deutsche Agrartech. - 1963. -13. - S.493-494.
8. Summers, I.D. Draft relationships for primary tillage in Oklahoma Soils / I.D. Summers, A. Khalilian, D.G. Batchelder // Trans. ASAE. - 1986. - 29. - № 1.
9. Гуреев, И.И. Энергоёмкость обработки почвы // Техника в сельском хозяйстве. - 1988. - № 3. - С.22-26.
List of sources used
1. Gureev I.I. Ecological consequences of the use of machine complexes for the mechanization of soil tillage// Science and technology achievements of Agro-Industrial Complex.-2015.-№ 8 -p 77-79.
2. Sineokov G.N., Panov I.M. Theory and calculation of soil tillage machines. -M.: Machine-building, 1977.-328 p.
3. Poesse, G.J. Ristervorm en ploegsnelheid / G.J. Poesse, C. Ouwerkerk // ILR Wageningen publik. - 102. - 1967.
4. Söhne, W. Über den Entwurf von Streichblechformen unter besonderer Berücksichtigung von Streichblechen für höhere Geschwindigkeit / W. Söhne, R. Möller // Grundl Landtechnik. - 1962. - 15. - S.15-27.
5. Telischi, B. Draft measuremenrs for tillage tools / B. Telischi, HF. McColly, E. Erickson // Agric Eng. - 1956. -37. - S.605-608.
6. Söhne, W. Anpassung der Pflugkörperform an höhere Fahrgeschwindigkeiten / W. Söhne // Grundl Landtechnik. -1960. - 12. - S.51-62.
7. Bernacki, H. Ergebnisse der Untersuchung an Schnellpflugkörpern / H. Bernacki // Deutsche Agrartech. - 1963. -13. - S.493-494.
8. Summers, I.D. Draft relationships for primary tillage in Oklahoma Soils / I.D. Summers, A. Khalilian, D.G. Batchelder // Trans. ASAE. - 1986. - 29. - № 1.
9. I.I Gureev. Energy intensity of soil tillage // Machines in agriculture. - 1988. - P. 22-26.
