CC BY-NC
9Повышение эффективности технологического процесса движения почвы по лемеху почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины.
Сыроютмиков Юрий Николаевич
аспирант, кафедра оптимизации технологических систем им. Т.П. Евсюкова, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко
61050, Украина, Харьковская область, г. Харьков, пр. Московский, 45
SyromyatnikovYurii Nkolaevich ^ ЯмНщ
Postgraduateatthe Department of Optimization ofTechnological Systems of KharkivPetroVàsylenko ^fl
National Technical Uniusrsityof/Agriculture
61050, Ukraine, Kharkiv, pr. Moskovskii, 45 И [email protected]
Статья из рубрики 'Технология продовольственных продуктов"
Аннотация. Предметом исследования является процесс движения почвы по лемеху почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины - стратификатора. В статье изложены некоторые конструктивные особенности рабочих органов для подрезания и подъема почвы, качественные и энергетические показатели их работы. Определены критерии оценки для разработки относительно нового конструктивного решения проблемы качества предпосевной обработки почвы. Описан технологический процесс работы почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины с дополнительно установленными направляющими пассивными вращающимися плоскими дисками, которые должным образом обеспечивают движение почвы по подрезающей лапе при глубине обработки от 3 до 12 см. Теоретически рассмотрены и проанализированы влияния некоторых конструктивных факторов, на качественные показатели рабочих органов для подрезания и подъема почвы. Новизна исследования заключается в одновременном использовании параллельно расположенных свободно вращающихся плоских дисков вместе с лемехом. Определено взаимное расположение направляющих дисков и лемеха. Принципиально получены значения угла трения и угла подъема почвы лемехом при котором сопротивление последнего будет минимальным. В результате механический подъем и движения почвы почвы по лемеху почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины, происходит с отсутствием эффекта сгруживания почвы с обеих сторон, и с минимальными затратами энергии.
Ключевые слова: сгруживание почвы, направляющие диски, подъем почвы отрывом, предпосевная обработка почвы, угол подъема почвы, высота подъема почвы, угол трения почвы, рыхлительно-сепарирующая машина, сепарация, рабочие органы
УДК: 631.316.6
DOI: 10.7256/2453-8809.2017.1.22037 Дата направления в редакцию: 16-02-2017 Дата публикации: 01-04-2017
Abstract. The research subject is the process of movement of soil along the plowshare of a cultivating separating ripper - a stratification machine. The article contains particular
constructive features of the implements used for cutting and elevating soil, quality and energy indexes of their operation. The author defines the estimation criteria for the development of a relatively new solution to the problem of secondary tillage effectiveness. The author describes the technological process of operation of a cultivating separating ripper with additional leading passive plane rotary disks, which ensure appropriate movement of soil along the shovel at the cultivation depth of 3-12 cm. The author considers in theory and analyzes the impact of some constructive factors on quality indexes of the implements used for soil cutting and elevating. The scientific novelty consists in usage of parallel free-rotating plane disks together with the plowshare at the same time. The author acquires the values of angle of soil friction and elevation by the plowshare giving the minimum resistance of the plowshare. In the result, the mechanical elevation and movement of soil along the plowshare of a cultivating separating ripper doesn't give a building up effect and requires minimum energy.
Keywords: implements, separation, separating ripper, angle of soil friction, height of soil elevation, angle of soil elevation, secondary tillage, soil elevation by separation, guide wheel, biulding up of soil
Постановка проблемы. Предпосевная обработка почвы обычными орудиями сопровождается перераспределением мелких и крупных частиц по глубине обрабатываемого слоя. Рабочие органы орудий, перемещаясь в почве, выталкивают крупные комочки на поверхность, а мелкие просыпаются вниз. С увеличением количества обработок перераспределение частиц почвы, то есть её сепарация по глубине обработки, усиливается. Причем многократные обработки почвы перед посевом приводят к увеличению числа крупных частиц почвы в зоне заделки семян, что является нежелательным. Поэтому проводить обработку почвы перед посевом глубже величины заделки семян нецелесообразно.
Известна почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая машина разработанная В.Ф. Пащенко (рис. 1).
Рис. 1. Машина почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая «Докучаевская» ПРСМ-5 (стратификатор)
В своих исследованиях В.Ф. Пащенко обосновал профили почвообрабатывающих рабочих органов машины для создания рациональных агрофизических свойств почвы.
Технологическая схема известной машины Ш для создания рациональных агрофизических свойств почвы приведена на рисунке 2. Рабочие органы машины включают подрезающую лапу 1, сепарирующую решетку 2 и ротор 3. Сепарирующая решетка выполнена из прутков, расположенных друг от друга на определенном расстоянии.
Рис. 2. Технологическая схема машины для рационализации агрофизических свойств почвы: 1 - подрезающая лапа; 2 - ротор;3 - сепарирующая решетка
Работает машина следующим образом. При движении машины, установленный на стойке лемех подрезает пласт почвы снизу и подает его к рыхлительно-сепарирующему устройству. Ножи ротора захватывают почву, перемещают ее по сепарирующей решетке с одновременным ее крошением. При ворошении почвы на сепарирующей решетке ножами ротора крупные ее частицы и корневища растений выталкиваются на поверхность, мелкие — просыпаются вниз. Однако, при глубине обработки от 3 до 12 см движение почвы по подрезающей лапе затруднено из-за образовывающегося перед ней почвенного валка. Почва сгруживается и рассыпается в стороны, перемещение почвы к рыхлительно-сепарирующему устройству ухудшается с уменьшением глубины обработки. В связи с этим возникла необходимость изыскания новых рабочих органов для подрезания и подъема почвы.
Анализ исследований и публикаций. Основы теории почвообрабатывающего клина были заложены В.П. Горячкиным.
Г.Н. Синеоков подробно изучил вопрос стружкообразования при резании клином-^.
Впервые исследования механического подъема почвы отрывом производились в 1941 г.
в МГУ-^. За основу было принято предложение А.Д. Афанасьева - отрыв почвы без его горизонтального подрезания тонкими дисками, расположенными в вертикальной плоскости, при их вращательном движении.
Принципиальная возможность механического подъема почвы отрывом двумя параллельно расположенными свободно вращающимися дисками доказана
лабораторными опытами, выполненными в МАДИ-^. Опыты показали, что при вращающихся дисках сопротивление резанию почвы на 31% меньше, чем при неподвижных.
В исследованиях Ф. М. Конарева-^4 рассмотрен процесс взаимодействия вращающегося плоского диска с неподвижными частицами почвы. Одновременное использование параллельно расположенных свободно вращающихся дисков вместе с лемехом для механического подъема и движения почвы мало изучено.
Основной материал. Рабочие органы для подрезания и подъема почвы известной
почвообрабатывающей машины, не обеспечивают должным образом движение почвы по подрезающей лапе при глубине обработки от 3 до 12 см. В связи с этим и возникла необходимость в дальнейшей разработке рабочих органов для их применения в различных вариантах использования в технологиях механизированной обработки почвы.
Для того, чтобы почва не сгруживалась и не рассыпалась в стороны, с обеих сторон лемеха необходимо установить пассивные вращающиеся диски .
Плоские диски применяют в качестве основных и дополнительных рабочих органов. В данном случае применение плоских свободновращающихся дисков рассматриваем, как дополнительный рабочий орган, который работает следующим образом (рис. 3).
При движении машины, установленные на раме 6 через кронштейн 7, плоские свободновращающиеся диски 1 внедряются в почву и перекатываются в ней, при перемещении своей оси в направлении, вращения ротора 4. Вращательным движением диски 1, способствуют отрыву почвы, поджатой между ними, от массива, и далее движению ее по лемеху. Одновременно установленная на стойке 3 закрепленной на раме 6, стрельчатая лапа (лемех) 2, обеспечивает их заглубление, подъем слоя почвы оторванной от массива плоскими свободновращающимися дисками 1 , которая поднимаясь, частично крошится, образовывая почвенное ядро перед лемехом, движется, попадая на сепарирующую решетку 5. Также направляющие диски 1 ограничивают сгруживание почвы с лемеха на стороны.
1 7 2 3 4 5 6
Рис. 3. Принципиальная схема машины: 1 - направляющий плоский диск;
2 - лемех; 3 - стойка; 4 - роторный рабочий орган; 5 - сепарирующая решетка; 6 -
рама; 7 - кронштейн
Ножи ротора 4 захватывают почву, крошат и перемещают ее по решетке. Мелкие комочки проходят через зазоры сепарирующей решетки, при этом на поверхность почвы выбрасываются крупные комки, пожнивные остатки, и растения с корнем, в том числе и корневища сорных растений. В результате происходит сепарация обрабатываемого слоя почвы, расслоение его по структурному составу, уничтожение сорных растений путем их механического вычесывания из обрабатываемого слоя почвы, без повреждения корневой системы, а на поверхности образуется из пожнивных остатков мульчирующий слой.
Примененный в данном случае лемех представляет собой двухгранный прямой плоский клин, который характеризуется такими параметрами: угол
подъема а и длина 1л (рис. 4).
Рис. 4. Двухгранный прямой плоский клин
Последние должны быть выбраны с учетом обеспечения движения почвы по лемеху с минимальными затратами энергии. Как известно, для движения почвы по лемеху должно выполняться условие
а+ср<
, л"
2 (1)
где
Ф - угол трения почвы по рабочей поверхности лемеха;
а
угол подъема почвы.
Учитывая то, что угол трения ф для разных почв меняется в пределах от 14 до 420, угол подъема а, согласно неравенству (1) может изменяться в относительно больших пределах. Причем, с уменьшением угла подъема а длина лемеха 1л, увеличивается.
Эксперименты, проведенные М.Е. Мацепуро и И.В. Манюто-^, показали, что при подъеме почвы на высоту 1п имеется такое сочетание угла подъема а и длины лемеха 1л, при котором сила сопротивления рационального угла подъема зависит от значения угла трения.
Зависимость составляющей силы сопротивления почвы Ялх движению клина, вызванной весом пласта и силами трения, от угла трения ф и угла подъема а была установлена Г.Н. Синеоковым
Яш = аЪку1,
íg (а+<р)
аш а
(2)
где
Ялх - сила сопротивления почвы движению лемеха
а - глубина хода лемеха, м;
Ь - ширина лемеха, м;
YOб - объемный вес почвы, Н/м3.
Для отыскания минимального значения силы сопротивления Ялх исследуем уравнение (2) на экстремум. При этом получим
¿а З1п2 си
з1п а.
'(а+<р)
- íg (а + <р) сог а
= 0
После соответствующих преобразований получим кубическое уравнение
а+-ъ1п2(р-а+2ът2 ср■ —аш 2ср= О
В результате решения кубического уравнения с помощью формул Кардана получено такое выражение для экстремального угла подъема а
Для того, чтобы определить характер экстремума, найдем значение второй производной уравнения (2). При этом получим
Подставляя значения угла подъема а из выражения (3) в полученное уравнение, найдем
Следовательно, при значениях угла а, определяемых выражением (3), будет иметь место минимальное значение сопротивления лемеха. Для большей наглядности характер изменения экстремального значения угла а в зависимости от угла трения ф, выраженной уравнением (3), можно представить графически (рис. 5).
Рис. 5. Характер изменения экстремального значения угла а в зависимости от угла
трения ф
Таким образом, принципиально можно получить для каждого значения угла трения значения угла подъема почвы лемехом при котором сопротивление последнего будет минимальным.
Но так как угол трения ф не является на всех участках поля постоянным, а усредненное
его значение составляет примерно 2б030', то угол подъема а можно принять равным 240 - 2б0. Длина лемеха определяется по формуле
где
1л - длина лемеха, м
1п - высота подъема почвы лемехом, м
Рис. б. Схема расположения лемеха и направляющих дисков для подрезания и подъема
почвы: 1 - лемех, 2 - направляющий диск
Направляющие диски будут способствовать движению почвы по лемеху в том случае, если проекция их окружной скорости на нормаль к лемеху будет равняться нулю или направлена вверх. Если последняя будет направлена вниз, то диски будут захватывать почву и прижимать ее к лемеху, что вызовет увеличение сил трения почвы о поверхность лемеха и затруднит ее движение. Следовательно, для того, чтобы это явление не имело места необходимо, чтобы диск по отношению к лемеху был установлен в таком положении, при котором проекции скоростей точек диска отвечали бы выше изложенному требованию. Это требование будет соблюдаться при условии (рис. б).
АОББ'>-
Тогда из треугольника ОА/В имеем где
^ - радиус направляющего диска, м.
11 - расстояние между диском и лемехом, м
Выводы. Проведены теоретические исследования варьируемых конструктивных факторов, на качественные показатели рабочих органов
анализ влияния некоторых
для подрезания и подъема почвы, обеспечения движения ее по лемеху. Критериями оценки качества технологического процесса являются отсутствие эффекта сгруживания почвы с обеих сторон лемеха, обеспечение движения почвы по лемеху с минимальными затратами энергии.
Библиография
1. Пащенко В.Ф. Механико-технологические средства эколого-экономического усовершенствования процессов обработки почвы: Дис докт. техн. наук. Х., 2005. 335 с.
2. Виленский В.Г., Афанасьев А.Д. Новый принцип механического подъема почвы. Научные записки МГУ. Вып. 102. Изд. МГУ, 1946.
3. Зеленин А.Н., Карасев Г.Н., Красильников Л.В. Лабораторный практикум по резанию грунтов. Высшая школа, 1969. 325 с.
4. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М.: Машиностроение, 1983. 139 с.
5. Мацепуро Е.М., Манюта И.В. Вопросы земледельческой механики. Т. 2. Мн.: Госиздат БССР, 1959.
6. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977.
References (transliterated)
1. Pashchenko V.F. Mekhaniko-tekhnologicheskie sredstva ekologo-ekonomicheskogo usovershenstvovaniya protsessov obrabotki pochvy: Dis dokt. tekhn. nauk. Kh., 2005. 335 s.
2. Vilenskii V.G., Afanas'ev A.D. Novyi printsip mekhanicheskogo pod''ema pochvy. Nauchnye zapiski MGU. Vyp. 102. Izd. MGU, 1946.
3. Zelenin A.N., Karasev G.N., Krasil'nikov L.V. Laboratornyi praktikum po rezaniyu gruntov. Vysshaya shkola, 1969. 325 s.
4. Kanarev F.M. Rotatsionnye pochvoobrabatyvayushchie mashiny i orudiya. M.: Mashinostroenie, 1983. 139 s.
5. Matsepuro E.M., Manyuta I.V. Voprosy zemledel'cheskoi mekhaniki. T. 2. Mn.: Gosizdat BSSR, 1959.
6. Sineokov G.N., Panov I.M. Teoriya i raschet pochvoobrabatyvayushchikh mashin. M.: Mashinostroenie, 1977.
