CC BY
11
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (45), 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.01.020.05
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МНОГОСТОЕЧНОГО ДВУХРЯДНОГО РЫХЛИТЕЛЯ
THE SUBSTANTIATION OF THE DESIGN OF THE MULTI-STYLE
DOUBLE-ROW RIPPER
А.Ю. Корнеев, аспирант Н.Б. Мартынова, кандидат технических наук
A.Yu. Korneev, N.B. Martynova
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева
(РГАУ-МСХА)
Russian State Agrarian University named after K.A. Timiryazev
Глубокое рыхление почвы направлено на усиление стока и отведение излишней влаги из корнеобитаемого слоя. Сплошное рыхление проводится на глубину 0,5-1 м. Почвы, требующие проведения работ по сплошному рыхлению, содержат не менее 40 % глинистых и илистых частиц размерами 0,01 мм и менее. Коэффициент фильтрации у таких почв составляет менее 0,2-0,3 м/сут. Применение стоечных рыхлителей пассивного действия позволяет получить однородную структуру грунта, улучшить его водно-воздушный баланс. Недостаток данных конструкций - низкий коэффициент полноты рыхления. Использование конструкции двухрядного рыхлителя для работ по глубокому рыхлению позволит улучшить структуру грунта за счет разработки грунта в межстоечном пространстве. В работе доказано преимущество конструкции многостоечного рыхлителя для обеспечения требуемой полноты рыхления и определены оптимальные расстояния между стойками рыхлителя для минимизации взаимного влияния соседних конусов скола.
Deep loosening of the soil is aimed at increasing the flow and removing excess moisture from the root layer. Continuous loosening is carried out at a depth of 0.5-1 m. Soils that require the work of continuous loosening, contain not less than 40 % of clay and silty particles with a size of 0.01 mm or less. The coefficient of filtration in such soils is less than 0.2-0.3 m/day. The use of rack-mounted rippers of passive action makes it possible to obtain a uniform soil structure, improve its water and air balance. The drawback of these structures is the low coefficient of completeness of loosening. Using the construction of a double-row ripper for deep loosening works will improve the structure of the soil due to the development of soil in the interstitial space. In the paper, the advantage of the design of a multi-row ripper for ensuring the required fullness of loosening is proved and the optimum distances between the ripper legs are determined to minimize the mutual influence of adjacent cleavage cones.
Ключевые слова: разуплотнение, глубокорыхлитель, лемех, угол скола, коэффициент полноты рыхления, почвенная структура, стружка грунта, ядро уплотнения.
Key words: decompaction, deep loosener, share, angle of cleavage, coefficient of fullness of loosening, soil structure, shavings of soil, core of compaction.
Введение. Машины для производства работ по рыхлению грунта выпускаются с активным и пассивным рабочим органом. Действие стоечного пассивного рыхлителя на грунт основывается на скалывании стружки лемехом от массива и дальнейшее движение частиц грунта вверх вдоль лемеха, а затем вниз под действием силы тяжести. В результате этих противоположно направленных движений и взаимодействия частиц друг с другом уменьшится дисперсность структуры грунта. В процессе разрыхления грунта стоечным рабочим органом образуется конус скола. Параметры конуса скола оказывают определяющее влияние на полноту рыхления. Поэтому применение
многостоечных конструкций рыхлителей будет способствовать качеству и полноте рыхления, так как уменьшится площадь межстоечного пространства, что увеличит полноту рыхления грунта.
Цель исследований - создание мелиоративного стоечного глубокорыхлителя с оптимальными геометрическими параметрами. Применение многостоечной конструкции позволит повысить коэффициент полноты рыхления, а также улучшить качество производства работ. Для выбора оптимальной конструкции рыхлителя требуется определить расстояние между соседними стойками и между рядами стоек для недопущения взаимного влияния конусов скола, так как это значительно увеличит энергетические затраты процесса рыхления грунта.
Материалы и методы. Для оценки качества рыхления следует определить конус скола грунта, образующегося в результате воздействия лемешной поверхности на грунтовый массив (рисунок 1). Чтобы отделить частицу грунта от массива, нужно создать напряжение в его структуре. Если высота и ширина лемеха недостаточны, чтобы создать напряжения в грунте на проектной глубине, отрыв частиц от массива наблюдаться не будет, в грунте образуется кротовая дрена. Если высота лемеха удовлетворяет условиям, а ширина недостаточна, скол грунта от массива будет образовываться с глубины выше проектной. Таким образом, в верхней части грунта будет разрыхленная область, а в нижней - кротовая дрена. Качество работ будет невысоким из -за низкого коэффициента полноты рыхления. Энергоемкость процесса будет завышена из -за наличия зон уплотнения грунта. Для полноты рыхления угол вершины конуса скола зависит от угла резания лемеха и физико-механических свойств грунта и не должен быть меньше расчетной величины. Определим угол скола [7]:
щ = аг^
Р.
ОВ
Р - Р
1 Т 1 ОГ
(1)
где Рт - сила тяги базовой машины, Н; Ров - вертикальная составляющая силы сопротивлению грунта резанию, Н; Рог - горизонтальная составляющая силы сопротивлению грунта резанию, Н.
Рисунок 1 - Процесс образования стружки грунта: 1 - лемех, 2 - стружка грунта, 3 - массив грунта
Зная величину угла вершины конуса скола, вычислим ширину лемеха, необходимую для создания напряжений в грунте с целью отделения частиц грунта от массива [4]:
Ь = кр •
ж • ео8 щ
10 • С • 1 + /
(2)
2
где С - число ударов плотномера ДорНИИ; hp - глубина рыхления, м; ^коэффициент трения грунта по металлу.
В процессе разработки грунта необходимо исключить взаимное давление от соседних конусов скола, так как частицы от соседних конусов будут взаимодействовать друг с другом, нарушая процесс рыхления грунта. Взаимодействие частиц соседних конусов скола приведет к дополнительным энергетическим затратам [3, 10]. Следовательно, расстояние между соседними стойками должно быть таким, чтобы соседние конусы скола не пересекались (рисунок 2). Определим минимально допустимое расстояние между соседними стойками [5]:
I = -
2 • И
%(900 ~¥)
■ + Ь.
(3)
Рисунок 2 - Схема рыхления грунта: 1 - лемех, 2 - стойка, 3 - конус скола
Определим расчетные параметры стоечного рыхлителя по формулам (1-3). Для проведения работ по глубокому рыхлению грунта на глубину 0,8 м ширина лемеха составит 0,25 м расстояние между задними стойками 1,8 м угол скола 43°. Для увеличения полноты рыхления и повышения его качества выбрана двухрядная конструкция глубокорыхлителя (рисунок 3). Передние стойки рыхлителя разрабатывают грунт на глубину 0,4 м расстояние между передними стойками 1,2 м. Они предназначены для разрушения подплужной подошвы. По результатам исследований создана модель двухрядного стоечного рыхлителя (рисунок 4), которая была испытана в грунтовом лотке в различных грунтовых условиях.
П
<гУ
Рисунок 3 - Схема двухрядного стоечного рыхлителя: 1 - рама, 2 - передняя стойка, 3 - стрельчатая лапа, 4 - задняя стойка, 5 - долотообразный лемех, 6 - тракторная навеска, 7 - гидроцилиндр, 8 - трактор
В процессе эксперимента был определен коэффициент разрыхления грунта [2]:
кр=V-, (4)
п
где Уп - объем грунта до рыхления, см3; Vр - объем грунта после рыхления, см3.
Для оценки эффективности применения разработанной машины определим ее удельную энергоемкость [8]:
э = N
Э Пэ
(5)
где N - мощность базовой машины, кВт; Пэ - эксплуатационная производительность, га/ч
Рисунок 4 - Испытание модели в грунтовом лотке Результаты и обсуждение. Проведенные исследования показали, что многостоечный рыхлитель можно использовать для рыхления территорий с различными грунтовыми условиями [1]. Для подтверждения данных теоретических исследований была создана опытная модель многостоечного рыхлителя в масштабе 1 : 8, которая была испытана в грунтовом лотке. Модель была использована для разрыхления грунтов на глубину 0,6-0,8 м. При проведении эксперимента менялись влажность грунта W (от 5 до 10 %) и его фракционный состав С (супесь - 4 удара плотномера ДорНИИ, суглинок - 9 ударов). Существенное влияние на процесс оказывает категория грунта и глубина разработки Н. Влажность исследовалась в узких пределах оптимальных значений, поэтому в текущем опыте не установлено ее влияние на процесс рыхления грунта. В результате исследования процесса составлено уравнение регрессии, которое адекватно описывает процесс рыхления грунта многостоечным рыхлителем.
R(H,W,C)=8,22+3,71H+0,89W+3,84C.
Сравним разработанную машину с существующими конструкциями пассивных рыхлителей. Результаты сведены в таблице 1.
Таблица 1 - Техническая характеристика стоечных рыхлителей [6]
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (45) 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Показатель РС-0,8 РС-0,6 Разработанная машина
Глубина рыхления, м 0,8 0,6 0,8
Ширина захвата, м 3,5 2,4 2,4
Ширина лемеха 20 20 25
Число стоек 3 2 5
Коэффициент разрыхления грунта 1,25 1,25 1,33
Коэффициент полноты рыхления 0,75 0,55 0,85
Удельная энергоемкость, кВтч/га 184 83 136
Заключение. Для обеспечения полноты рыхления и экономичности процесса следует использовать конструкции многостоечных рыхлителей. Передние укороченные стойки будут частично разрыхлять грунт, уменьшая усилия сопротивления резанию грунта на задних стойках. При расположении стоек рыхлителя в разных продольных плоскостях уменьшается объем межстоечного пространства, то есть участков неразрыхленного грунта. Чтобы исключить взаимное влияние грунтов соседних конусов скола, в работе было определено расстояние между соседними стойками и между рядами. В этом случае увеличится коэффициент полноты рыхления, улучшится качество производства работ и снизятся энергозатраты.
Библиографический список
1. Баловнев, В.И. Определение оптимальных параметров и выбор землеройных машин в зависимости от условий эксплуатации [Текст]/ В.И. Баловнев. - М:«МАДИ», 2010. -134 с.
2. Белецкий, Б.Ф. Строительные машины и оборудование [Текст]/Б.Ф. Белецкий, И.Г. Булгакова. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. - 608 с.
3. Ветров, Ю.О. Машини для земляних робгт. Приклади розрахунку [Текст] : навч. пошбник/ Ю.О. Ветров, В В. Власов. - К.: 1СДО, 1995. - 304 с
4. Домбровский, Н.Г. Строительные машины [Текст]/Н.Г. Домбровский. - М.: Высшая школа, 1985.- 224с.
5. Зеленин, А.Н. Резание грунтов [Текст]/ А. Н. Зеленин. - М.: Издательство Академии Наук СССР, 1959. - 272 с.
6. Кизяев, Б.М. Культуртехнические мелиорации: технологии и машины [Текст]/ Б.М. Кизяев, З.М. Маммаев. - М.: «Ассоциация Экост», 2003. - 399 с.
7. Пристайло, Ю.П. Устройство для снижения усилия заглубления зуба рыхлителя [Текст]/ Ю.П. Пристайло, А.В. Фомин, Л.Е. Пелевин // Горные, строительные, дорожные и мелиораторные машины: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - К., 1987. - №40. - С. 3-6.
8. Репин, С.В. Машины для земляных работ [Текст]/ С.В. Репин, А.В. Зазыкин. - С-Пб.: СПГАСУ, 2007. - 81 с.
9. Слюсаренко, В.В. Машины и оборудование природообустройства [Текст]/ В.В. Слюсаренко, А.В. Хизов, А.В. Русинов. - Саратов: ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2012. - 130 с.
10. Шестопалов, К.К. Машины для земляных работ [Текст] : учебник / К.К. Шестопалов
- М.: МАДИ, 2011. - 145 c.
Reference
1. Balovnev, V. I. Opredelenie optimal'nyh parametrov i vybor zemlerojnyh mashin v zavisimosti ot uslovij jekspluatacii [Tekst]/ V. I. Balovnev. - M:"MADI", 2010. -134 s.
2. Beleckij, B. F. Stroitel'nye mashiny i oborudovanie [Tekst]/B. F. Beleckij, I. G. Bulgakova.
- Rostov n/D: Feniks, 2005. - 608 s.
3. Vetrov, Yu. O. Mashini dlya zemlyanih robit. Prikladi rozrahunku [Tekst] : navch. posibnik / Yu. O. Vetrov, V. V. Vlasov. - K.: ISDO, 1995. - 304 s
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (45) 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
4. Dombrovskij, N. G. Stroitel'nye mashiny [Tekst]/N. G. Dombrovskij. - M.: Vysshaya shkola, 1985. -- 224s.
5. Zelenin, A. N. Rezanie gruntov [Tekst]/ A. N. Zelenin. - M.: Izdatel'stvo Akademii Nauk SSSR, 1959. - 272 s.
6. Kizyaev, B. M. Kul'turtehnicheskie melioracii: tehnologii i mashiny [Tekst]/ B. M. Kizyaev, Z. M. Mammaev. - M.: "Associaciya Jekost", 2003. - 399 s.
7. Pristajlo, Yu. P. Ustrojstvo dlya snizheniya usiliya zaglubleniya zuba ryhlitelya [Tekst]/ Yu. P. Pristajlo, A. V. Fomin, L. E. Pelevin // Gornye, stroitel'nye, dorozhnye i melioratornye mashiny: Resp. mezhved. nauch. -- tehn. sb. - K., 1987. - №40. - S. 3-6.
8. Repin, S. V. Mashiny dlya zemlyanyh rabot [Tekst]/ S. V. Repin, A. V. Zazykin. - S-Pb.: SPGASU, 2007. - 81 s.
9. Slyusarenko, V. V. Mashiny i oborudovanie prirodoobustrojstva [Tekst]/ V. V. Slyusarenko, A. V. Hizov, A. V. Rusinov. - Saratov: FGBOU VPO "Saratovskij GAU", 2012. - 130 s.
10. Shestopalov, K. K. Mashiny dlya zemlyanyh rabot [Tekst] : uchebnik / K. K. Shestopalov - M.: MADI, 2011. - 145 c.
E-mail: vkoniigim@yandex.ru
